LED自由曲面照明系统技术方案

本发明专利技术涉及一种LED自由曲面照明系统，包括一LED点光源、一自由曲面透镜以及一接收面。所述LED点光源设置于一三维直角坐标系的原点，所述LED点光源具有一最大出射角度，所述LED点光源的出射角度划分为三个区域。所述自由曲面透镜包括一球面以及与一该球面相对的自由曲面。所述球面为入光面，所述自由曲面为出光面。所述球面的球心与所述原点重合。所述自由曲面包括三个环状区域。所述LED点光源的每一区域分别对应所述自由曲面的每一环状区域。所述LED点光源中每一区域所发出的光线经过其对应的环状区域后都可以在所述接收面上形成长和宽分别为2Lx和2Ly的矩形光斑。所述接收面设置于所述自由曲面的一侧，且与x-y平面平行设置。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种LED自由曲面照明系统，尤其涉及一种高均匀度LED自由曲面照明系统。
技术介绍
随着LED照明的发展，基于LED光源的照明设计也变得越来越重要。但是由于LED光强度分布的特点，难以实现在目标面上固定形状区域内的均匀照明。因此必须对LED的照明系统进行二次光学设计，将LED发出的光能进行再分配，以实现在目标照明面上所需的特定形状的均匀照明要求。传统的LED的照明系统采用透镜组等方法来实现均匀照明。然而，通过透镜组方式实现均匀照明的LED的照明系统具有体积较大、结构复杂、光能损失大等缺点。
技术实现思路
综上所述，确有必要提供一种高均匀、结构简单且光能损失小的LED自由曲面照明系统。一种LED自由曲面照明系统，其包括一LED点光源、一自由曲面透镜以及一接收面；所述LED点光源设置于一三维直角坐标系（x，y，z）的原点，所述LED点光源具有一最大出射角度                                               ，所述LED点光源的出射角度划分为三个区域、和；所述自由曲面透镜的轴心所述三维直角坐标系（x，y，z）的z轴重合，所述自由曲面透镜包括一球面以及与一该球面相对的自由曲面，所述球面为入光面，所述自由曲面为出光面，所述球面的球心与所述原点重合，所述自由曲面包括三个环状区域，且所述LED点光源的每一区域分别对应所述自由曲面的每一环状区域，所述LED点光源中每一区域所发出的光线经过其对应的环状区域后实现在所述接收面上形成长和宽分别为2Lx和2Ly的矩形光斑；所述接收面设置于所述自由曲面的一侧，且与x-y平面平行设置。一种LED自由曲面照明系统，其包括一LED点光源、一自由曲面透镜以及一接收面；所述LED点光源设置于一三维直角坐标系（x，y，z）的原点，所述LED点光源具有一最大出射角度，所述LED点光源的出射角度划分为至少两个区域；所述自由曲面透镜的轴心所述三维直角坐标系（x，y，z）的z轴重合，所述自由曲面透镜包括一球面以及与一该球面相对的自由曲面，所述球面为入光面，所述自由曲面为出光面，所述球面的球心与所述原点重合，所述自由曲面包括至少两个环状区域，且所述LED点光源的每一区域分别对应所述自由曲面的每一环状区域，所述LED点光源中每一区域所发出的光线经过其对应的环状区域后实现在所述接收面上形成长和宽分别为2Lx和2Ly的矩形光斑；所述接收面设置于所述自由曲面的一侧，且与x-y平面平行设置。本专利技术提供的LED自由曲面照明系统，提出环状透镜结构及多对一的映射方式。通过对不同角度区域进行划分，使不同范围角度的光线经过相应的透镜区域独立形成重合的矩形光斑，既能实现在接收面上的均匀照明，又能实现让接收面上所有的点接收到更多方向的光线的照射，进一步提高了照明均匀性。另外，本专利技术提供的LED自由曲面照明系统100还具有结构紧凑及小型化等特点。附图说明图1为本专利技术实施例提供的LED自由曲面照明系统的设计方法中LED点光源出射角度区域及自由曲面环状区域的划分示意图。图2为本专利技术实施例提供的LED自由曲面照明系统的设计方法中LED点光源所发出光线映射到接收面的示意图。图3为本专利技术实施例提供的LED自由曲面照明系统的设计方法中对所述LED点光源进行二次配光设计的示意图。图4为本专利技术实施例提供的LED自由曲面照明系统的设计方法获得的自由曲面透镜的透镜实体图。图5为本专利技术实施例提供的LED自由曲面照明系统的结构及光路示意图。图6为本专利技术实施例提供的LED自由曲面照明系统中的自由曲面透镜在0°~10°区域内的LightTools光线仿真图。图7为本专利技术实施例提供的LED自由曲面照明系统中的自由曲面透镜在10°~20°区域内的LightTools光线仿真图。图8为本专利技术实施例提供的LED自由曲面照明系统中的自由曲面透镜在20°~30°区域内的LightTools光线仿真图。图9为本专利技术实施例提供的LED自由曲面照明系统中通过软件模拟所获得的一个的正方形光斑及其照度图。图10为本专利技术实施例提供的LED自由曲面照明系统中通过软件模拟所获得的一个的正方形光斑，及沿该正方形光斑的X轴和Y轴切线的照度图。主要元件符号说明LED自由曲面照明系统100LED点光源10自由曲面透镜12球面122自由曲面124接收面14如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本专利技术。具体实施方式下面根据说明书附图并结合具体实施例对本专利技术的技术方案进一步详细表述。请参阅图1-5，本专利技术实施例提供一种LED自由曲面照明系统100的设计方法包括：S10：将LED点光源10的出射角度划分为三个区域：、和，每个区域都可以分别实现在接收面14上形成长和宽分别为2Lx和2Ly的矩形光斑，其中，为所述LED点光源10的最大出射角度；S11：分别对所述三个区域在所述接收面14上的映射关系进行求解，获得所述三个区域在所述接收面14上的映射关系；S12：对所述LED点光源10进行二次配光设计，获得自由曲面124的一阶偏微分方程组；S13：根据所述三个区域在所述接收面14上的映射关系及所述一阶偏微分方程组，获得关于所述自由曲面124的一阶拟线性偏微分方程组，求解所述一阶拟线性偏微分方程组获得多个面型数据；以及S14：根据所述多个面型数据，进行曲面拟合，获得所述自由曲面124。请参阅图1，在步骤S10中，所述LED点光源10的最大出射角度可以根据不同需要选择。本实施例中，所述LED点光源10最大出射角度约为30°。另外，可以将所述LED点光源10的出射角度平均划分为三个区域，或按照等比例划分为三个区域，或按照任意组合划分为三个区域。本实施例中，将所述LED点光源10的出射角度平均划分为三个区域，即，，以及。此外，在所述区域中，处光线经过所述自由曲面124之后照射到所述矩形光斑的中心，而，处光线经过所述自由曲面124之后照射到所述矩形光斑的边界；在所述区域中，为了保证所述自由曲面124的连续，需使区域与区域交界处光线不能有突变，故， 处光线经过所述自由曲面124之后照射到所述矩形光斑的边界，而处光线经过所述自由曲面124之后照射到矩形光斑的中心，在所述区域中，同样为了保证所述自由曲面124的连续，也应保证所述区域与所述区域交界处光线不能有突变，故，处光线经过所述自由曲面124之后照射到矩形光斑的中心，而处光线经过所述自由曲面124之后照射到矩形光斑的边界。请参阅图2，在步骤S11中，所述矩形光斑的长2Lx和宽2Ly可以根据实际需要选择。本实施例中，所述矩形光斑的长2Lx和宽2Ly相等，且约为20mm；即，Lx=Ly=10mm。在区域内，光源10中心光线映射到接收面14上矩形光斑的中心； 处光线映射到接收面14上所述矩形光斑的边界，即半长和半宽为Lx和Ly的矩形光斑，此时应有：，其中E为照度 （2-1）对于区域内任一的光线映射到目标面上半长和半宽为X和Y本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种LED自由曲面照明系统，所述LED自由曲面照明系统所处的空间定义一三维直角坐标系（x，y，z），其特征在于，包括一LED点光源、一自由曲面透镜以及一接收面；所述LED点光源设置于所述三维直角坐标系（x，y，z）的原点，所述LED点光源具有一最大出射角度，所述LED点光源的出射角度划分为三个区域、和；所述自由曲面透镜的轴心与所述三维直角坐标系（x，y，z）的z轴重合，所述自由曲面透镜包括一球面以及与一该球面相对的自由曲面，所述球面为入光面，所述自由曲面为出光面，所述球面的球心与所述原点重合，所述自由曲面包括三个环状区域，且所述LED点光源的每一区域分别对应所述自由曲面的每一环状区域，所述LED点光源中每一区域所发出的光线经过其对应的环状区域后在所述接收面上形成长和宽分别为2Lx和2Ly的矩形光斑；所述接收面设置于所述自由曲面的一侧，且与x‑y平面平行设置。

【技术特征摘要】
1.一种LED自由曲面照明系统，所述LED自由曲面照明系统所处的空间定义一三维直角坐标系（x，y，z），其特征在于，包括一LED点光源、一自由曲面透镜以及一接收面；
所述LED点光源设置于所述三维直角坐标系（x，y，z）的原点，所述LED点光源具有一最大出射角度                                               ，所述LED点光源的出射角度划分为三个区域、和；
所述自由曲面透镜的轴心与所述三维直角坐标系（x，y，z）的z轴重合，所述自由曲面透镜包括一球面以及与一该球面相对的自由曲面，所述球面为入光面，所述自由曲面为出光面，所述球面的球心与所述原点重合，所述自由曲面包括三个环状区域，且所述LED点光源的每一区域分别对应所述自由曲面的每一环状区域，所述LED点光源中每一区域所发出的光线经过其对应的环状区域后在所述接收面上形成长和宽分别为2Lx和2Ly的矩形光斑；
所述接收面设置于所述自由曲面的一侧，且与x-y平面平行设置。
2.如权利要求1所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，所述LED点光源的直径为1 mm ~5mm。
3.如权利要求1所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，所述LED点光源的出射角度平均划分为三个区域或按照等比例划分为三个区域。
4.如权利要求1所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，所述LED自由曲面照明系统所处的空间进一步定义一球坐标系（θ，φ，ρ），且该三维直角坐标系（x，y，z）及该球坐标系（θ，φ，ρ）的原点重合，所述自由曲面在球坐标系（θ，φ，ρ）下的一阶偏微分方程组表示为：
，其中，
，
，
，
，
，且，no及nI分别为空气折射率及所述自由曲面透镜的折射率，z0为所述自由曲面与z轴的交点。
5.如权利要求4所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，所述LED点光源最大出射角度为30°。
6.如权利要求5所述的LED自由曲面照明系统，其特征在于，，以及。
7.如权利要求4...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱钧，熊思思，金国藩，范守善，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11