[实用新型]实现旋转对称三维光强分布自由曲面透镜

说明书

本实用新型公开了实现旋转对称三维光强分布自由曲面透镜，本实用新型所提供实现旋转对称三维光强分布自由曲面透镜，结构上考虑二维上无损耗的光学系统，光源发出的能量等于经过透镜后出射光的总能量，由于透镜实体通过旋转二维的透镜轮廓线得到，通过三维转换函数得到在三维上光强分布与二维设计过程中的关系式，通过该关系式，修正二维光强分布，从而使得计算得到的二维透镜轮廓线经过旋转对称后形成的透镜实体。本实用新型可以使LED扩展光源发出的光线经过自由曲面透镜后，在空间上形成均匀光强分布的照明，而无需繁琐的反馈迭代优化，大大提高了设计效率。

技术领域

本实用新型涉及光学器件领域，特别涉及一种用于LED扩展光源快速实现特定旋转对称三维光强分布的自由曲面透镜。

背景技术

作为新一代光源，LED具有寿命长、功率低、结构紧凑等优点被广泛地应用在不同的照明场所，并逐步取代传统光源。针对LED点光源的自由曲面透镜设计方法也逐步成熟完善。但随着大功率LED光源的需求，需要多个LED芯片阵列排布在基板上集成封装，以达到大功率输出。传统的LED点光源透镜设计方法已经难以在LED扩展光源中应用。针对LED扩展光源，要想在三维空间中实现特定的光强分布，设计者根据边缘光线法，在二维上计算透镜轮廓线，并通过旋转对称得到三维实体透镜。但是，二维设计上的光强分布与三维上的光强分布往往是不同的，这使得在二维的设计过程中需要通过繁琐的迭代反馈优化以在三维上实现特定的旋转对称光强分布，这大大减低了光学设计效率。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种快速实现特定旋转对称三维光强分布自由曲面透镜的设计方法，提高设计效率。

本实用新型的目的采用如下技术方案实现。

实现旋转对称三维光强分布自由曲面透镜，其出光面形状为自由曲面，自由曲面的形状限定如下：

二维上无损耗的光学系统，光源发出的能量等于经过透镜后出射光的总能量，则有：

其中，和表示光源光线的出射角和最大出射角，β和β_max表示光线经过透镜后出射光的出射角和最大出射角；L_2D和D是二维LED扩展光源的照度和直径，光源沉浸在折射率为n的透镜材料中；I_2D(β)表示二维中出射光的光强分布，

在三维上，由能量守恒可得：

式中，L_3D表示三维LED扩展光源的照度，I_3D(β)表示三维出射光的光强分布；

由于透镜实体通过旋转二维的透镜轮廓线得到，所以二维上的角度和β与在三维上的相等，结合以上两式的微分形式，即可得到三维光强分布I_3D(β)与二维光强分布I_2D(β)的关系为：

其中，k₁是一个常数，由光源的参数决定；根据三维上的能量守恒关系式，可得和β的关系为：

这里，k₂也是一个与光源参数有关的常数；由此，可以定义三维转换函数为：

三维光强分布I_3D(β)与二维光强分布I_2D(β)的关系可表示为：

I_2D(β)＝k₁k₂I_3D(β)η(β)

对于朗伯型线光源，光强分布与光照度的关系可表示为：