折返式led照明光学系统的利记博彩app
【专利摘要】本发明涉及LED照明的准直光学系统【技术领域】，具体涉及一种折返式LED照明光学系统，包括自由曲面透镜和自由曲面反射器，所述自由曲面透镜和自由曲面反射器共轴，间距为0.01m-0.1m；所述自由曲面透镜包括第一曲面，为旋转对称自由曲面；第二曲面，为旋转对称自由曲面；第三曲面，为旋转对抛物面，抛物面的焦点为第二曲面折射光线的虚拟光源点；第五曲面，为旋转对称自由曲面，；以及第四曲面，为圆柱面，用于连接第三曲面和第五曲面；所述自由曲面反射器，由三个曲面组成。本发明实现了任意视场角的照明，而不会因为全反射降低光学系统的光效。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及LED照明的准直光学系统【技术领域】，具体涉及一种折返式LED照 明光学系统。 折返式LED照明光学系统 技术背景
[0002] LED作为一种新型光源，由于其高光效，寿命长，无毒害等优点使其在成为白炽灯、 荧光灯等传统的光源的完美替代者。但由于LED的光强分布为圆形的朗伯型分布，如果直 接应用于照明，则会在目标面上形成极为不均匀的照度分布，无法满足各种照明场合对灯 具光学性能的要求。为了使LED更好的应用于照明领域，需要设计二次光学系统重新分配 LED的光强分布，使得其在目标面能够形成均匀或者其它特定的照度分布。
[0003] 为了实现LED灯具在目标面上的既定照度分布，目前多采用设计LED自由曲面透 镜来达到这个目的。在中国实用新型专利说明书CN101144863B中公开了一种控制LED光 束的透镜。该透镜利用自由曲面光线出射面来精确控制出射光束能量空间分布，能够实现 满足不同照明需要的光斑形状与照度分布。在中国实用新型专利说明书CN20320202741U 中公开了一种窄光束LED照明光学系统。这个光学系统利用菲涅尔透镜对小角度的光线进 行会聚；对大角度的光线在采用全反射面实现既定照明。从而实现了 LED小角度的高光效 照明。除了透镜，反射型的光学系统也被用于LED照明当中。中国实用新型专利申请说明 书CN103234173A中提出了一种基于高漫反射率的自由曲面LED光学系统。这种光学系统 利用自由曲面反射面实现对LED光线的重新分配。
[0004] LED二次透镜虽然可以实现目标面的既定照明，但是还存在以下问题：（1)由于 光线从光密介质向光疏介质传播时存在全反射现象，因此当照明视场角约大于60度时，由 于全反射现象的存在使得透镜的光效随着视场角的增大而不断下降；（2)根据光亮度的定 义，光源的尺寸越小亮度越高，此时人就觉得越"刺眼"。由于LED的发光尺寸极小，通常为 ImmX 1mm，因此透射式的LED光学系统存在比较严重的"刺眼"现象。相比LED二次透镜， 反射式的LED二次光学系统视场角不受限制，没有"刺眼"现象，但是在实际使用中，由于需 要安装LED芯片、散热片、PCB板等装置，因此存在遮挡问题，会造成不能全部利用LED发出 的光线或者部分光线不能经过光学系统的整形直接照射至目标面。 实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的是针对室内照明等通用照明场合，设计一种实现目标区域均匀 照明的折返式的LED二次光学系统，这种光学系统不存在"刺眼"现象，同时具有较高的光 效。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型所设计的折返式LED照明光学系统，包括自由曲面 透镜和自由曲面反射器，所述自由曲面透镜和自由曲面反射器共轴，间距为〇. 〇lm-〇. lm ;
[0007] 所述自由曲面透镜包括第一曲面，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线 折射，使折射后的光线平行于z轴；第二曲面，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线 折射，使折射后的光线成为与X轴上点光源发出的光线重合；第三曲面，为旋转对抛物面， 抛物面的焦点为第二曲面折射光线的虚拟光源点，将经过第二曲面折射之后的光线反射至 与Z轴平行的方向；第五曲面，为旋转对称自由曲面，用于控制经过第一曲面、第二曲面和 第三曲面之后平行于z轴的光线，使得这束平行于z轴的光线在经过第五曲面后在空间中 任一个与z轴垂直的圆平面上形成均匀的照度分布；以及第四曲面，为圆柱面，用于连接第 三曲面和第五曲面；
[0008] 所述自由曲面反射器，由三个曲面组成，其中第一曲面为自由曲面，控制第二自由 曲面透镜发出的光束的方向和能量，第二曲面和第三曲面分别为反射器的第一基座和第二 基座。
[0009] 进一步地，所述第一曲面和第二曲面上点的坐标由下式计算得出：设定第一自由 曲面的初始点，通过下式迭代得到其轮廓线： χ _ Z?--l +Xi-lk
[0010] < cot θ,. + k ( 1) Zf - xf cot 0.
[0011] 其中（Xi, Zi)为当前迭代需要计算的点的坐标，（Xg, Zg)为前一点的坐标， (NX，NZ)为前一点的法向量坐标。得到轮廓曲线之后以 2轴位对称轴旋转360°即可得到第 一自由曲面。
[0012] 再进一步地，所述第五曲面上点的X、y轴坐标与第一曲面、第二曲面和第三曲面 上对应点相同，将光源的角度空间划分为MXN份，每份中的光通量相同，计算对应的第五 曲面的X、y轴坐标，同时将出射光斑形成均匀分布的圆平面划分为MXN个面积相等的单 元，并计算这些单元节点的X、y轴坐标，选定曲面的初始点，通过迭代的方法求解初始骨架 曲线上点的z轴坐标为：
[0013] + (2)
[0014] 其中（Xu, Zu)为当前迭代需要计算的点的坐标，（χ^，y^，ζ^)为上一 点的坐标，（Nlx，Nly，N lz)为上一点的法向量的坐标。在得到初始骨架曲线后通过（2)式迭代 得到下一条骨架曲线，在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到所有的子曲面从而 得到第五曲面。
[0015] 再进一步地，所述自由曲面反射器的自由曲面由一定多个的子曲面组成，相邻的 两个子曲面之间由平行于Z轴的平面连接，将目标面划分，划分的节点坐标为（T x，Ty，Tz)， 选定曲面的初始点，通过迭代的方法求解初始骨架曲线上点的ζ轴坐标为： v2, =/v(z2iI.-zu)+vu
[0016] _ _ X + )^2,Λ- + ((V X Zl,,- - Vl,- + Λ,/-! )^2,,· + ) ⑶ /xxiV^+/vx7V2,v+iV2；z
[0017] 其中（x2，i, y2，i, z2 i)为当前迭代需要计算的点的坐标，（Xih，Zw)为前一 点的坐标，（N2x, N2y, N2z)为前一点的法向量坐标，（Xu, y1;i, Zu)为自由曲面透镜第五自由曲 面上对应点的坐标。lx和ly的表达式为：
[0018] \ (4) / Tz.i ~ ZU
[0019] 在得到初始骨架曲线后通过（2)式迭代得到下一条骨架曲线，在每个子曲面的起 始处重新构造初始骨架曲线，在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到所有的子曲 面，得到自由曲面反射器的自由曲面。
[0020] 本实用新型的设计LED二次光学系统，具有良好的光线控制能力，可以在目标面 上实现所需要的照度分布。由于采用折返式的设计，相当于扩大了光源的面积，降低了光源 的亮度值，因此不会有"刺眼"的现象。因为反射面不存在全反射现象，因此可以实现任意 视场角的照明，而不会因为全反射降低光学系统的光效。同时由于采用自由曲面透镜对LED 的光线进行收集并整形，解决了仅有反射面的光学系统中存在遮挡或者一部分光线无法控 制的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1是本实用新型一个实施例的侧视图；
[0022] 图2图1中自由曲面透镜（1)的侧视图；
[0023] 图3图2的剖视图；
[0024] 图4是图1中自由曲面反射器（2)的侧视图；
[0025] 图5是图4的剖视图；
[0026] 图6是计算自由曲面反射器（2)上坐标时使用的网格对应关系；
[0027] 图7是本实施例在光学设计软件中得到目标面上照度分布仿真结果；自由曲面透 镜（1)和自由曲面反射器（2)
[0028] 图中，1-自由曲面透镜，11-第一曲面；12-第二曲面；13-第三曲面；14-第四曲 面；15-第五曲面；2-自由曲面反射器；21-自由曲面；22-第一基座；23-第二基座。
【具体实施方式】
[0029] 以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明：
[0030] 折返式LED照明光学系统包括自由曲面透镜1和自由曲面反射器2,自由曲面透镜 1和自由曲面反射器2共轴，间距为0. 01m-0. lm ;自由曲面透镜1包括第一曲面11，为旋转 对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，使折射后的光线平行于z轴；第二曲面12,为 旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，使折射后的光线成为与X轴上点光源发出 的光线重合；第三曲面13,为旋转对抛物面，抛物面的焦点为第二曲面折射光线的虚拟光 源点，将经过第二曲面12折射之后的光线反射至与z轴平行的方向；第五曲面15,为旋转 对称自由曲面，用于控制经过第一曲面11、第二曲面12和第三曲面13之后平行于z轴的光 线，使得这束平行于z轴的光线在经过第五曲面15后在空间中任一个与z轴垂直的圆平面 上形成均匀的照度分布；以及第四曲面14,为圆柱面，用于连接第三曲面13和第五曲面15 ; 自由曲面反射器2,由三个曲面组成，其中第一曲面为自由曲面21，控制第二自由曲面透镜 2发出的光束的方向和能量，第二曲面和第三曲面分别为反射器的第一基座22和第二基座 23〇
[0031] 第一曲面11和第二曲面12上点的坐标由下式计算得出：设定第一自由曲面的初 始点，通过下式迭代得到其轮廓线： χ _ Vi +Xj-jk
[0032] ' cot θ, + k (5) - χ? cot θ?
[0033] 其中（Xi, ζ)为当前迭代需要计算的点的坐标，（Xg, Zg)为前一点的坐标， (ΝΧ，ΝΖ)为前一点的法向量坐标。得到轮廓曲线之后以 2轴位对称轴旋转360°即可得到第 一自由曲面。
[0034] 第五曲面15上点的x、y轴坐标与第一曲面11、第二曲面12和第三曲面13上对应 点相同，将光源的角度空间划分为MXN份，每份中的光通量相同，计算对应的第五曲面15 的X、y轴坐标，同时将出射光斑形成均匀分布的圆平面划分为MXN个面积相等的单元，并 计算这些单元节点的X、y轴坐标，选定曲面的初始点，通过迭代的方法求解初始骨架曲线 上点的z轴坐标为： Γ ? -(XU - Xl.i-1 厂(Jli - Ju-1 V 丄 ,<、
[0035] zu=^----------L + zw_! (6)
[0036] 其中（Xu, yu，Zu)为当前迭代需要计算的点的坐标，（Xm, y^，Zm)为上一 点的坐标，（Nlx，Nly，Nlz)为上一点的法向量的坐标。在得到初始骨架曲线后通过（2)式迭代 得到下一条骨架曲线，在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到所有的子曲面从而 得到第五曲面15。
[0037] 自由曲面反射器2的自由曲面21由一定多个的子曲面组成，相邻的两个子曲面之 间由平行于z轴的平面连接，将目标面划分，划分的节点坐标为（T x，Ty，Tz)，选定曲面的初 始点，通过迭代的方法求解初始骨架曲线上点的ζ轴坐标为： 'x2i=lx(z2i-zu) + xu v2i =(v(z2j.-zu)+vu
[0038] 1 _ {ψ x + )N2x + {ly X zLi. - + )N2 y + ) - (Ζ) " & x N2x +lyx N2y + N2tZ
[0039] 其中（x2，i, y2，i, z2 i)为当前迭代需要计算的点的坐标，（XiH，yiH，Zw)为前一 点的坐标，（N2x, N2y, N2z)为前一点的法向量坐标，（Xu, y1;i, Zu)为自由曲面透镜第五自由曲 面上对应点的坐标。lx和ly的表达式为： Ix=TxJ~XlJ
[0040] ; ' (8) T:厂 Ζυ
[0041] 在得到初始骨架曲线后通过（2)式迭代得到下一条骨架曲线，在每个子曲面的起 始处重新构造初始骨架曲线，在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到所有的子曲 面,得到自由曲面反射器2的自由曲面21。
[0042] 如图1所示是本实用新型的一个具体实施例的结构示意图，其中LED位于坐标原 点，该光学系统包括两个部分，自由曲面透镜1和自由曲面反射器2。
[0043] 图2和图3是图1中自由曲面透镜1的侧视和剖视图。其中第一曲面11、第二曲 面12和第三曲面13是LED光线的入射面，目的是将LED发出的球面波准直为与z轴垂直 的平面波。
[0044] 第一曲面11将来自LED的光线折射至与z轴平行，此曲面为旋转对称的，因此计 算时只需计算出一条轮廓曲线，然后绕z轴旋转一圈即可得到第一曲面11的面型。计算轮 廓曲线时，首先确定初始点的坐标值，初始点为曲面与z轴的交点，通过迭代的方式计算轮 廓曲线上点的坐标值。令当前已知点（Χη,Ζη)的法向量为N=(N X，NZ),要计算的轮廓曲线 下一点对应的入射光线与z轴的夹角为Θ i，则下一点的坐标值（Xi，Zi)为： =^ + xJc_
[0045] ' col θι + k (9 - x(. cot
[0046] 其中k=Nx/Nz。在此实施中第一曲面11的初始点的z坐标值为5mm，曲面边缘对应 LED光线与z轴夹角为30°。
[0047] 第二曲面12的目的是使得LED发出的光线在此曲面折射之后的出射光线的反向 延长线交于X轴一点，从而能够得到一个虚拟光源点。S12的初始点为S11的边缘点，计算 时同样使用（1)。
[0048] 第三曲面13的焦点为第二曲面12创造的虚拟光源点，利用全反射原理，将来自第 二曲面12的光线反射至与z轴平行方向。
[0049] 第五曲面15的将经过第一曲面11、第二曲面12和第三曲面13之后的平面波的 能量重新分配，使得在空间中某个中心在z轴上并且与z轴垂直的圆平面上形成均匀分 布。第四曲面14上点的坐标计算方式为利用能量守恒，将入射波阵面和目标圆平面划分 为能量相等的网格，根据空间拓扑确定网格点之间的对应关系，再利用（1)式即可计算第 五曲面15上点的坐标。由于第五曲面15是旋转对称的，因此只需要计算轮廓曲线即可得 到曲面面型。本实施中该圆平面位于z=80mm处，半径为20mm，自由曲面S15的初始点为 (0, 0, 21. 36)。
[0050] 第四曲面14为圆柱面，用于连接第三曲面13和第五曲面15。
[0051] 在计算得到自由曲面透镜1的所有曲面之后，高为24. 27mm，宽为32. 44mm。第一 曲面11、第二曲面12间形成的空间高为5mm，宽为4. 9mm，用于放置LED光源。
[0052] 图4和图5是图1中自由曲面反射器2的侧视和剖视图。本实施中的反射器由第 一曲面11、第二曲面12和第三曲面13组成。
[0053] 第一基座22和第二基座23为自由曲面反射器2的基座，在实际使用中可以为任 意形状，在本实施中，这两个曲面形成一个圆柱型基座。
[0054] 自由曲面21的目的是将来自自由曲面透镜1的光束反射至目标面并在目标面上 形成均匀照度分布。在本实施中设定目标面为边长为8mX6m并且与y轴垂直的矩形，目标 面中心点位于y轴上并且距LED光源2. 5m。采用能量守恒和斯涅尔定律来计算自由曲面上 点的坐标。首先根据能量守恒将设计第五曲面15时设定的目标圆平面和照明目标面划分 为能量相等的网格如图6所示，由于对称性，这里只给出了第一象限的网格划分对应关系。 在得到这种对应关系之后根据斯涅尔定律，设定初始点为设计第五曲面15时设定的目标 圆平面的中心点，采用迭代的方式得到自由曲面21上点的坐标。为了减小在迭代过程中产 生的误差，采用曲面片的方式构造自由曲面21，每个曲面片之间使用圆柱面连接。
[0055] 为了构造自由曲面21，将目标面做图6所示的划分，划分的节点坐标为 (Tx，Ty，T z)。选定曲面的初始点，通过迭代的方法求解初始骨架曲线上点的z轴坐标为：
[0056] \χ2?=1χ(ζ2?-ζυ) + χυ y2J =fy{z2i-zu) + yu < _ ((lx x . + )N2 x + (/v x - yu. + y2J A )Nl y + ζ2 ^Ν2 ι) lx 乂 N2'x+fyxN2'y + N2、:
[0057] 其中（x2，i, y2，i, z2 i)为当前迭代需要计算的点的坐标，（Χ-- yiH，Zw)为前一 点的坐标，（N2x，N2y，N2z)为前一点的法向量坐标，（x^y^Zu)为自由曲面21上对应点的 坐标。lx和ly的表达式为： T, i i
[0058] ] ' ' (11)
[0059] 在得到初始骨架曲线后通过（2)式迭代得到下一条骨架曲线。在每个子曲面的起 始处重新构造初始骨架曲线。在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到所有的子曲 面从而得到自由曲面21。
[0060] 图7为本实施的透镜在光学仿真软件中在目标面上的照度分布结果，通过追迹 一百万条光线得到，其中左侧为目标面上的照度分布，图中灰度值大小与照度值成正比，右 侧为目标面上两个中心坐标轴上的照度分布。其中光学系统的光学效率为80%。同时在目 标面上长边和短边上的照明均匀度为75%和70%，均匀性好。
【权利要求】
1. 一种折返式LED照明光学系统，其特征在于：包括自由曲面透镜（1)和自由曲面反射 器（2)，所述自由曲面透镜（1)和自由曲面反射器（2)共轴，间距为0. Olm-O. lm ; 所述自由曲面透镜（1)包括第一曲面（11 )，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光 线折射，使折射后的光线平行于z轴；第二曲面（12)，为旋转对称自由曲面，用于将LED发 出的光线折射，使折射后的光线成为与X轴上点光源发出的光线重合；第三曲面（13)，为旋 转对抛物面，抛物面的焦点为第二曲面折射光线的虚拟光源点，将经过第二曲面（12)折射 之后的光线反射至与z轴平行的方向；第五曲面（15)，为旋转对称自由曲面，用于控制经过 第一曲面（11)、第二曲面（12)和第三曲面（13)之后平行于z轴的光线，使得这束平行于z 轴的光线在经过第五曲面（15)后在空间中任一个与z轴垂直的圆平面上形成均匀的照度 分布；以及第四曲面（14)，为圆柱面，用于连接第三曲面（13)和第五曲面（15); 所述自由曲面反射器（2)，由三个曲面组成，其中第一曲面为自由曲面（21)，控制第二 自由曲面透镜（2)发出的光束的方向和能量，第二曲面和第三曲面分别为反射器的第一基 座（22)和第二基座（23)。
2. 根据权利要求1所述的折返式LED照明光学系统，其特征在于：所述第一曲面（11) 和第二曲面（12)上点的坐标由下式计算得出：设定第一自由曲面的初始点，通过下式迭代 得到其轮廓线： 'χ _ Zi-X +xi-ik < cot θ? + k (1) Z; = X cot 0j 其中（Χ?,ζ)为当前迭代需要计算的点的坐标，（Χη,Ζη)为前一点的坐标，（NX，NZ)为 前一点的法向量坐标。得到轮廓曲线之后以z轴位对称轴旋转360°即可得到第一自由曲 面。
3. 根据权利要求1所述的折返式LED照明光学系统，其特征在于：所述第五曲面（15) 上点的x、y轴坐标与第一曲面（11)、第二曲面（12)和第三曲面（13)上对应点相同，将光源 的角度空间划分为MXN份，每份中的光通量相同，计算对应的第五曲面（15)的x、 y轴坐 标，同时将出射光斑形成均匀分布的圆平面划分为MXN个面积相等的单元，并计算这些单 元节点的x、y轴坐标，选定曲面的初始点，通过迭代的方法求解初始骨架曲线上点的z轴坐 标为： ~(xu -χ\,?-ι)Ν\χ ~(y\,i~y\a-i)Nu , Zl, =-^--+Z.,M (2) 其中（Xuy^Zu)为当前迭代需要计算的点的坐标，为上一点的 坐标，（Nlx，Nly，Nlz)为上一点的法向量的坐标。在得到初始骨架曲线后通过（2)式迭代得到 下一条骨架曲线，在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到所有的子曲面从而得到 第五曲面（15)。
4. 根据权利要求1所述的折返式LED照明光学系统，其特征在于：所述自由曲面反射 器（2)的自由曲面（21)由一定多个的子曲面组成，相邻的两个子曲面之间由平行于z轴的 平面连接，将目标面划分，划分的节点坐标为（T x，Ty，Tz)，选定曲面的初始点，通过迭代的方 法求解初始骨架曲线上点的ζ轴坐标为： xu=Hz2j-zu) + xu y2J=Iy(z2i-zu) + yu ((?χ X z,,. - X,,. + x2)N2 x + (/v X zu - v,,f + v2,,_, )N2 v + Z2 MN2^ ) z"=-:- (3) !xxN2、x+lyxN2''. + N0- 其中（χ^Κ?,ζ；^)为当前迭代需要计算的点的坐标，为前一点的 坐标，（N2x，N2y，N2z)为前一点的法向量坐标，（x^y^Zu)为自由曲面透镜第五自由曲面上 对应点的坐标。lx和ly的表达式为： < YZU (4) i h 在得到初始骨架曲线后通过（2)式迭代得到下一条骨架曲线，在每个子曲面的起始处 重新构造初始骨架曲线，在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到所有的子曲面，得 到自由曲面反射器（2)的自由曲面（21)。
【文档编号】F21Y101/02GK203892917SQ201420151064
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年3月31日 优先权日:2014年3月31日
【发明者】张晓晖, 陈琛, 陈亮, 程刚 申请人:中国人民解放军海军工程大学