本发明专利技术公开了属于应用光学领域中的非成像光学技术的给定照度分布的ＬＥＤ三维光学系统设计方法及光学系统。以发光二极管为光源、在给定定照度分布区域形成三维的非成像光学系统，以此光学系统进行三维透镜设计，针对给定照度分布区域的几何形状，遵循能量守恒定律，在区域长轴方向按照光学折射将光源表面与照度平面划分成对应的能量区域，并在短轴方向按照全内反射和折射共同作用的原则进行能量划分；根据能量对应关系计算光源光线沿长轴方向和短轴方向的光学系统表面所有特征点的坐标和法线矢量，从而确定光学系统的表面。有利于充分利用能源并降低工程成本，光学系统封装灵活，能采用单芯片和多芯片封装，多组光学系统排列时自由、简单、灵活。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于应用光学领域中的非成像光学技术，特别涉及基于非成像光学技 术、以发光二极管(light emitting diodes, LED)作为光源的给定照度分布的 LED三维光学系统设计方法及光学系统。
技术介绍
与传统光源相比，LED为全固态光源，具有节能、环保、色彩丰富、体积小、 结构紧凑、响应速度快、抗震、耐冲击等诸多优点，适用于包括家居照明、车内 照明、汽车头灯、矿井照明、野外作业和军事行动等诸多领域，成为备受瞩目的 第三代照明光源。LED光源体积小，其光强分布随出射角的增大而迅速衰减，可 以近似视为郎伯光源。对于不同的需要和应用场合，必须调整LED发出的光场。 这样的光学系统设计属于非成像光学范围。传统的成像光学设计的透镜通常具有旋转对称性，用来将物平面的点经过透 镜后成像到像平面上，透镜设计注重的是在成像过程中图象信息的保存，而光线 能量传输效率则放在次要的位置，因此设计出来的透镜通常传输效率比较低。非成像光学是上世纪70年代以来在国外逐渐发展起来的，专门研究光线的能 量传输问题的一门新的光学分支，与传统成像光学相比，更加关注能量的传输效 率及其在空间和方位角的分配。非成像光学最先主要研究太阳能的收集利用问 题，也就是光线耦合问题，如何将一个大入射孔径的入射光线收集，完全传输于 一个小的输出孔径，从而在研究过程中，在提高能量密度利用方面，逐渐产生了 一套用于控制光线能量传输的理论，如"边缘光线理论"(Ries，H and Rabl，A "Edge-ray principle of nonimaging optics ， ，， J. Opt. Soc. Am. 43 712-715)， "剪裁理论，，(H. Ries， J. A. Muschaweck ， "Tailoring freeform optical lenses for illuminations, " Novel Optical Systems Design and Optimization IV ， Proc. SPIE ，vol 4442， pp. 43—50， (2001)) ( Andreas Timinger a, JuliusGeneral Illumination, " ， Proc. SPIE， vol 5186'pp. 128-132 , (2003))和 "对称性分析理论"(Ries,H Shatz，N , Bortz， J and Spirkl ，W "Performance limitations of rotationally symmetric nonimaging devices" 丄Opt. Soc. Am. A vol 14 ，10,2855-2862 ，1997 )。非成像光学发展的另一个方 向是设计一个照明系统，能够使用一个给定的光源在一个目标屏幕上面形成给定 的照度分布，也就是给定照度分布问题。不同维度的空间中非成像光学面临的问题具有不同的难度。二维空间的非成 像光学主要研究具有一定对称性的，如旋转对称和平移对称的光学系统。虽然对 称性对非成像光学问题进行了一定的简化，方便了求解，但是对称性本身就会制 约传输效率的进一步提高，因此为了根本解决能量传输效率问题，目前非成像光 学主要面临的困难是如何将求解空间拓展到三维领域，设计不具有对称性的光学 系统。对此国外提出了很多先进的理论和算法-在光线耦合问题方面，目前能够从理论上设计出三维空间光学系统的方法有 波印廷括矢 (J. C. Minano "design of three-dimensional nonimaging concentrator with inhomogeneous media" J", opt. Soc. Am A(3) pp. 1345-1353 ， 1986)、流线法(R. Winston ， W. T. Welford "Geometrical vector fluxandsomenewnonimagingconcentrators" ， J", opt. Soc. Am 69(4)，pp. 532-536， 1979)和洛伦兹几何方法(Guti6rrez，M.， Minano， J. C. ， Vega， C. and Benitez ， P. "Application of Lorentz Geometry to Nonimaging optics:New 3D ideal concentrators" ， J. opt..Soc. Am 13 ， pp. 532-540 ，1996)，这些方法从理论上证明了自由三维光学系统可以实现 理论传输效率，然而由于设计的方法非常复杂，并且需要渐变折射率的介质材料， 不能用来设计实用的光学系统。同时多表面设计方法(Simultaneous multiple surface, SMS)是最新提出的用来设计实用光学系统的方法(P. Benitez， J. C. Mifiano， et al， "Simultaneous multiple surface optical design method in three dimensions" ， Opt. Eng， 43(7) 1489-1502， (2004))，由于设计中采用了非成像光学特有的设计理论--"边缘光线"理论，实现了具有均匀介质材料的 三维表面光学系统，然而SMS设计方法要想推广到给定照度分布问题，仍然要求 将给定照度分布先转化成为光学波面然后采用用光线耦合的方法设计，因此必须 求解几个二阶非线性蒙特安培方程；在给定照度问题方面，目前主要有二个研究方向利用变分积分优化方法、 几何近似方法求解非线性二阶蒙特安培方程的方法(L. Caffarelli and V. Oliker,"Weak solutions of one inverse problem in geometric optics" 尸re/ ri/7f ， 1994.) ( S. Kochengin and V. Oliker，"Determination of reflector surfaces from near-field scattering data II. Numerical solution,"^騰2^s/ e胞t/ 謂z^ 79(4)， pp. 553 - 568，1998.) ( L. Caffaxelli， S. Kochengin， and V. Oliker， "On the numerical solution of the problem of reflector design with given far-field scattering data,，， Ov^e/^ors/y ifet/ 棚az^'cs 226， pp. 13 - 32， 1999.)和自由三维表面的剪裁方 法。采用几何近似和变分积分这种方法主要用在求解只有一个反射表面的给定照 度分布问题。利用几何近似的方法可以将求解一个反本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种给定照度分布的ＬＥＤ三维光学系统设计方法，其特征在于，以发光二极管作为光源、在给定定照度分布区域形成三维的非成像光学系统，以此光学系统进行三维透镜设计，其三维透镜设计的基本流程：针对给定照度分布区域的几何形状，遵循能量守恒定律，在区域长轴方向按照光学折射将光源表面与照度平面划分成对应的能量区域，并在短轴方向按照全内反射和折射共同作用的原则进行能量划分；确定给定照度平面任意一个初始点和任意一个光源角度的初始值，根据能量对应关系计算光源光线出射角的角度范围和光源投射到对应的照度平面上划分的能量区域的入射角范围，再根据角度对应关系并利用叠代求解的方法求出光学系统表面的所有特征点的坐标和法线矢量，从而确定光学透镜的表面。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：罗毅，张贤鹏，韩彦军，钱可元，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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