[发明专利]一种非成像透镜的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学器件设计方法，特别涉及一种能够在矩形区域形成均匀照明的非成像透镜的设计方法。

背景技术

非成像透镜通过改变光路将光源辐射的光通量分配到受照面上特定的区域，从而产生所需要的照明效果。固态光源的发光表面尺寸较小，光辐射集中在芯片上方2π立体角的空间中，适于使用透镜实现配光。随着固态照明技术的发展，非成像透镜在照明灯具中得到了广泛应用。

在城市道路和室内外大面积场地的照明中，需要对矩形区域提供均匀照明，目前已有多种使用透镜的技术方案被提出，并获得实际应用。一类典型的透镜设计方法是依据能量守恒原理，对光源和受照区域进行细分，在离散的光线和受照区域网格节点之间建立对应关系，然后从选定的起点开始，通过迭代计算出透镜表面样本点的坐标及在各样本点处的法线，从而得到透镜曲面，参见专利“Illumination lenses designed by extrinsic differential geometry”(US 6273596B1)和“一种三维光学透镜的设计方法及透镜”(CN 1928624N)。此类方法存在的一个问题是，所生成的曲面在样本点处的实际法线方向可能偏离计算过程中求出的法线方向，导致受照面上光通量的实际分布与预期分布存在差异，这种差异在矩形受照区域的边缘部分较为明显，并且随着光源相对于受照面倾斜角度的增加，实际分布与预期分布的差异会变得更加显著。

发明内容

本发明是针对现有透镜设计方法存在的问题，提出了一种非成像透镜的设计方法，在现有方法基础上做出改进，采用分组的样本曲线构造曲面，通过调整组内样本曲线的间距，减小由法线方向偏差导致的光通量分布差异，从而获得更好的照明效果。

本发明的技术方案为：一种非成像透镜的设计方法，照明的区域为矩形区域，透镜出射表面采用样本曲线构造，共有n+1条样本曲线，依次表示为SL₁，SL₂，...，SL_n+1，每条样本曲线包括m+1个样本点，分组求解样本曲线，每两条样本曲线为一组，一条为主样本曲线，一条为辅助样本曲线，将光源的辐射空间和所述矩形区域细分为光通量对应相等的单元，光源辐射空间按角度细分，将光源离散为(m+1)×(n+1)条光线，在离散的光线与所述矩形区域的网格节点之间建立一一对应关系；根据主样本曲线上各样本点处的入射光线和出射光线求解主样本曲线和辅助样本曲线上所有样本点的坐标，通过拟合得到所有样本曲线，求出所有样本曲线后，通过拟合得到通过所有样本曲线的自由曲面，作为透镜出射表面。

所述将光源辐射空间按角度细分，具体包括：以光源中心为坐标原点O，X轴和Y轴分别与所述矩形区域的宽度和长度方向平行，光源主轴与Z轴重合，矩形区域的对称中心位于XOZ平面内，建立球面坐标系统，X轴为球面坐标系统的主轴，将光源辐射的总立体角Ω细分为m×n个单元，其中m为球面坐标系统中角θ的取值区间A的细分数，n为角的取值区间B的细分数，m和n均取偶数，区间A采用等间隔方式细分，步长Δθ＝Θ/m，其中，Θ为角θ的取值范围；区间B按组等间隔细分，从区间下限开始，每2个细分单元为一组，相邻两组之间的间隔为其中，Φ为角的取值范围，区间B每组内两个单元的步长之比其中，0＜k＜2，i＝1，3，5，...，n-1，在处取一条光线，对应于第i个圆锥面与第j个扇面的交线，整个光源被离散为(m+1)×(n+1)条光线，光源细分单元表示为Ω_ij，其中，i＝1，2，...，m，j＝1，2，...，n，由相邻的第i和第i+1个圆锥面和第j和第j+1个扇面围成。