本发明专利技术公开了一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，该方法通过分析LED光源数据，构建三次样条曲线作为透镜内曲面母线，运用边缘光线理论、光通量网格划分及Snell定律等计算外曲面母线，旋转母线得到透镜模型，最后对透镜进行优化，提高照明均匀度。该方法解决了对LED光源进行均匀照明配光时内曲面为半球面等特定面型的透镜无法满足对照明均匀度的要求、光源适用性也不广泛的问题。该方法的优势包括：分析LED光源数据，确保了光源适用性和准确性；构建三次样条曲线作为内曲面母线，具有较高设计自由度，利于适应不同封装的LED灯珠；求得透镜模型后可通过多种方式的优化提高均匀度，可用于设计近场匀光透镜。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术提供了一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，属于LED 二次光学设计领域。
技术介绍
LED光源较传统光源有光效高、显色性好等优点，已被用作背光照明光源，应用在 例如吸顶灯、广告灯箱、液晶显示背光等。LED被当作平板面光源时发光方式主要有侧光式 和直下式。侧光式须结合导光板使用，平板光源尺寸增大会导致成本增加，光效和照明均匀 度降低，所以一般应用在中小尺寸照明中。大面积近场照明通常会选择直下式。为了实现 大面积均匀照明，灯具制造中常采用大量小功率LED光源密集排布的方法，但这样须要配 用大面积的基板，成本升高，同时密集排布光源引起的散热问题会导致LED光衰，缩短灯具 使用寿命。随着LED发光效率的不断提升，将大功率LED扩展光源与散光透镜组合成系统， 再将系统按需求阵列式排布，可提高灯具稳定性和性价比。为了确保照明面的照度均匀度 以及透镜设计对LED光源的适用性，直下式透镜设计方法的研宄就变得尤为关键。传统设 计方法对LED光源进行均匀照明配光时，内曲面为半球面等特定面型的透镜，无法满足对 照明均匀度的要求，同时具有光源适用性不广泛的问题。因此，十分有必要寻找一种光源适 用性强，透镜照明均匀度好的LED透镜设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的，在于提供一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方 法，按照本专利技术的技术方案，本专利技术通过以下步骤实现： a.通过LED光源IES文件（光度学数据文件）或利用光线追迹软件分析，得到需 要设计透镜的光源不同发射角的光强； b.对光源光通量及照明目标面进行划分，并建立光源与目标面间映射关系；c.设定数个拟合点，按三次样条构建初始内曲面母线； d.按照步骤b中对光源光通量的划分得到不同发射角的光线，光线与初始内曲面 母线相交，得到交点，以交点对初始内曲面母线进行插值，将插值点作为新的拟合点，并以 三次样条重新进行拟合，得到新的内曲面母线并以插值点作为其控制点； e.利用Snell定律求得外曲面母线上的离散点坐标，连接获得外曲面母线； f.旋转内外曲面母线获得初始LED透镜模型；g.对初始LED透镜模型进行内曲面局部优化及外曲面反馈优化，直到符合照明需 求。 所述步骤C、d中，所述三次样条为在每组相邻的4个拟合点间构建三次多项式，多 项式在每个区间内的一般式是： Yi(x) =aj+bj(x-Xj)+Cj(x-Xj)2+di(x-Xj)3 其中（Xi,y)是拟合点的坐标，i为拟合点序号，给定n+1个拟合点（i= 0, 1，…，n)，就对应n个区间，通过给定拟合点坐标和首末点处的边界条件，可以解出系数a^bi，Ci，屯的值，求得曲线方程。 每段曲线的一阶导数为： y/ (x) =bi+2Ci(x-Xj)+3di(x-Xj) 所述步骤e中，利用内曲面母线方程，在内外自由曲面先后使用Snell定律的矢量 形式来计算光路： N= ^O-nJ 其中1、0分别是内外曲面上入射光、出射光的单位向量；N为两曲面母线法向矢 量；ni、n2分别是出射光、入射光所处介质的折射率，在两曲面上折射率的值要发生转换。 所述步骤g中，外曲面的反馈优化，需要对初始透镜产生的模拟照度图进行分析 和计算，通过修正步骤b中圆形照面半径Ri实现优化；新的RNEWi为照度图上照度不匀开始 出现的初始位置，可从具体的初始照度图中得到，之后的RNEWi+1是在RNEWi的基础上迭代计算 得到，最终迭代到RNEWn，使之与Rn对应，新的半径可表示为：【主权项】1. 一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，其特征是：所述方法通过 以下步骤实现： a. 通过LED光源IES文件（光度学数据文件）或利用光线追迹软件分析，得到需要设 计透镜的光源不同发射角的光强； b. 对光源光通量及照明目标面进行划分，并建立光源与目标面间映射关系； c. 设定数个拟合点，按三次样条构建初始内曲面母线； d. 按照步骤b中对光源光通量的划分得到不同发射角的光线，光线与初始内曲面母线 相交，得到交点，以交点对初始内曲面母线进行插值，将插值点作为新的拟合点，并以三次 样条重新进行拟合，得到新的内曲面母线并以插值点作为其控制点； e. 利用Snell定律求得外曲面母线上的离散点坐标，连接获得外曲面母线； f. 旋转内外曲面母线获得初始LED透镜模型； g. 对初始LED透镜模型进行内曲面局部优化及外曲面反馈优化，直到符合照明需求。2. 根据权利要求1所述的基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，其特征 是：所述步骤c、d中，所述三次样条为在每组相邻的4个拟合点间构建三次多项式，多项式 在每个区间内的一般式是： Yi (X) = (X-Xi) +Ci (X-Xi) 2+φ (X-Xi)3 其中（Xi, y)是拟合点的坐标，i为拟合点序号，给定η+1个拟合点（i = 0, 1，…，η)， 就对应η个区间，通过给定拟合点坐标和首末点处的边界条件，解出系数ai，bp Ci，Cli的值， 求得曲线方程，每段曲线的一阶导数为： y/ (X) =1^+2(^ (X-Xi)+Sdi(X-Xi)'3. 根据权利要求1所述的基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，其特征 是：所述步骤e中，利用内曲面母线方程，在内外自由曲面先后使用Snell定律的矢量形式 来计算光路： · I)]N = Ii2CHi1I 其中1、〇分别是内外曲面上入射光、出射光的单位向量；N为两曲面母线法向矢量；ηι、 n2分别是出射光、入射光所处介质的折射率。4. 根据权利要求1所述的基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，其特 征是：所述步骤g中，外曲面的反馈优化，需要对初始透镜产生的模拟照度图进行分析和计 算，通过修正步骤b中圆形照面半径R i实现优化；新的RNEWiS照度图上照度不匀开始出现 的初始位置，可从初始照度图中得到，之后的R NEWi+1是在1^^的基础上迭代计算得到，最终 迭代到RNEWn，使之与Rn对应，新的半径可表示为：当中的心为Θ i光线对应的在照面上的实际照度值；Etave为照面上实际的照度平均 值；当ETi> E TAVE时Q值大于1，与况：7.的差会大于i?/+1与皮的差，从而达到扩大 对应照明面积，降低照度的目的；当ETi< E TAVE时Q值在O到1之间，可达到缩小面积，提升 照度的目的。【专利摘要】本专利技术公开了一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，该方法通过分析LED光源数据，构建三次样条曲线作为透镜内曲面母线，运用边缘光线理论、光通量网格划分及Snell定律等计算外曲面母线，旋转母线得到透镜模型，最后对透镜进行优化，提高照明均匀度。该方法解决了对LED光源进行均匀照明配光时内曲面为半球面等特定面型的透镜无法满足对照明均匀度的要求、光源适用性也不广泛的问题。该方法的优势包括：分析LED光源数据，确保了光源适用性和准确性；构建三次样条曲线作为内曲面母线，具有较高设计自由度，利于适应不同封装的LED灯珠；求得透镜模型后可通过多种方式的优化提高均匀度，可用于设计近场匀光透镜。【IPC分类】F21Y101-02, F21V5-04本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于三次样条的双自由曲面LED匀光透镜设计方法，其特征是：所述方法通过以下步骤实现：a.通过LED光源IES文件(光度学数据文件)或利用光线追迹软件分析，得到需要设计透镜的光源不同发射角的光强；b.对光源光通量及照明目标面进行划分，并建立光源与目标面间映射关系；c.设定数个拟合点，按三次样条构建初始内曲面母线；d.按照步骤b中对光源光通量的划分得到不同发射角的光线，光线与初始内曲面母线相交，得到交点，以交点对初始内曲面母线进行插值，将插值点作为新的拟合点，并以三次样条重新进行拟合，得到新的内曲面母线并以插值点作为其控制点；e.利用Snell定律求得外曲面母线上的离散点坐标，连接获得外曲面母线；f.旋转内外曲面母线获得初始LED透镜模型；g.对初始LED透镜模型进行内曲面局部优化及外曲面反馈优化，直到符合照明需求。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈国庆，吴亚敏，朱拓，潘浩，朱纯，朱焯炜，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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