一种适用于坡路面照明的LED光学系统及其设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于坡路面照明的LED光学系统，包括中心倾斜透镜(4)、矩形抛物面反射器(5)，以及LED光源(6)；其中：所述矩形抛物面反射器5为上部开口且内表面(3)均为抛物面的中空方体结构，所述中心倾斜透镜(4)可拆卸的安装在所述矩形抛物面反射器(5)的上部开口处；所述中心倾斜透镜(4)为相对水平面倾斜角度为α且外形呈矩形的倾斜透镜。本发明专利技术基于倾斜透镜的原理，使LED面光源在坡路面上成像，使LED面光源在目标坡路面内形成均匀的矩形光斑，提高了坡路面的照度均匀性。实现LED光源发出的朗伯分布的光通过LED坡路面照明光学系统在目标坡路面的均匀照明。在目标坡路面的均匀照明。在目标坡路面的均匀照明。

【技术实现步骤摘要】
处，E2点发出的边缘光线对应的汇聚到坡路受光面的端点R1处；
[0011]步骤1.12，选择所述E1点发出的一条光线r1在所述中轴oo'上发生折射的点P0作为所述中心倾斜透镜的上表面上第一点链的起始点；
[0012]步骤1.13，所述光线r1在所述P0点的折射光线上任意选择一点P1作为所述中心倾斜透镜的下表面上第二点链的起始点；
[0013]步骤1.14，假设所述光线r1在所述P1点处折射并射向所述端点R2，确定出所述光线r1在所述P1点处的法向量n1的方向；
[0014]步骤1.15，根据所述光线r1的传播路径计算公式得到由所述E1点到所述端点R2之间的光程Γ1；
[0015]Γ1＝[E1,P0]+n1[P0,P1]+[P1,R2]ꢀꢀ
(15)
[0016]步骤1.16，E2发出的一条光线r2过点P1折射后的光线P1R1的方向已经确定，根据折射定律的矢量形式：
[0017][0018]其中：n为中心倾斜透镜的折射率，N为光线在P点的法向量：
[0019]再根据公式：
[0020][0021]x
i+1
＝y
i+1 tan(A
i+1
)
ꢀꢀ
(18)
[0022]其中：P
i
的点坐标为(x
i
,y
i
),P
i+1
的点坐标为(x
i+1
,y
i+1
)，k为P
i
的切线的斜率；A
>i+1
为点P
i+1
的倾斜角度；
[0023]联立公式(17)、(18)得到相邻采样点之间的迭代关系，即可确定所述中心倾斜透镜上表面的下一点P2以及该点处的法向n2；由公式(19)光线r2的传播路径可以求得由E2到R1之间的光程Γ2；
[0024]Γ2＝[E2,P2]+n2[P2,P1]+[P1,R1]ꢀꢀ
(19)
[0025]步骤1.17，根据同一光源对应的同一像点所有的光线光程相同原理，交替应用步骤1.16分别确定出所述中心倾斜透镜的第一点链的点、所述中心倾斜透镜的第二点链的点，直到所述第一点链和所述第二点链相交；
[0026]步骤1.18，步骤1.11中所述中轴oo'下部的透镜仍通过步骤1.11～步骤1.17确定；以所述中心倾斜透镜上表面、下表面的两个交点连线为直径做矩形的对角线，运用构建网格的形式，得到所述中心倾斜透镜的实体；
[0027]步骤1.2，计算所述中心倾斜透镜焦距；
[0028]基于倾斜透镜的成像原理，根据步骤1.1所述中心倾斜透镜和目标坡路面的物距和像距确定所述中心倾斜透镜的焦距；
[0029]步骤2，所述矩形抛物面反射器的设计；
[0030]步骤2.1，构建所述矩形抛物面反射器模型；
[0031]步骤2.11，以所述矩形抛物面反射器的任意两个相对内表面设计为例，假设抛物线A为其第一内表面的轮廓线，抛物线B为第二内表面的轮廓线；
[0032]抛物线A绕其焦点F1沿逆时针方向旋转了θ
max
得到其中第一内表面；同理抛物线B
绕其焦点F2沿顺时针方向也旋转了θ
max
得到第二内表面；其中，θ
max
为最大出射角；
[0033]从而使得抛物线A的焦点F1落在抛物线B的下端点，抛物线B的焦点F2落在抛物线A的下端点；
[0034]在x轴方向和y轴方向上的焦距分别表示为：
[0035]f
2x
＝a
x
(1+sinθ
xmax
)
ꢀꢀ
(20)
[0036]f
y
＝a
2y
(1+sinθ
ymax
)
ꢀꢀ
(21)
[0037]其中：a
x
为焦平面在x轴方向的半宽；
[0038]a
y
为在y轴方向的半宽；
[0039]f
x
、f
y
分别为x，y轴方向上的焦距；
[0040]θ
xmax
、θ
ymax
分别为x，y轴方向上的最大出射角；
[0041]步骤2.12，所述抛物段F1C和所述抛物段F2D分别沿垂直于xoy平面的方向平移，形成两个关于y轴对称的抛物面；将抛物段F1C和F2D绕y轴逆时针旋转90
°
，同理沿x轴平移，形成两个关于x轴对称的抛物面，两组抛物面组合在一起就得到了三维的矩形抛物面反射器；
[0042]其中，轴a'和轴a分别是步骤1.31中所述抛物线A旋转前后的对称轴，轴b'和轴b分别是步骤1.31中所述抛物线B旋转前后的对称轴，抛物段F2C和抛物段F1D分别平行轴a和b；
[0043]步骤2.2，所述矩形抛物面反射器口径的确定；
[0044]经过步骤2.11中所述抛物段F1C和所述抛物段F2D分别沿垂直于xoy平面的方向平移之后，CD为矩形抛物面所述矩形抛物面反射器的光线出射口的直径，F1F2是所述矩形抛物面反射器焦平面的宽度；
[0045]根据光的可逆性，将所述LED光源置于所述矩形抛物面反射器的焦平面上，把出射光线与y轴的夹角θ
i
定义为出射角，当θ
i
＜θ
max
时，光线经过反射器反射从出光口射出；
[0046]出射口半宽r可表示为：
[0047][0048]其中：r为出射口半宽；
[0049]l为所述矩形抛物面反射器在y轴方向上的长度；
[0050]a为入射口半宽；
[0051]f2为焦距；
[0052]由式(22)可知，入射口半宽r是随着所述矩形抛物面反射器在y轴方向上的长度l增大而增大的；
[0053]步骤2.3，确定所述矩形抛物面反射器的高度；
[0054]所述矩形抛物面反射器的最大高度应保证所述LED光源照射到所述矩形抛物面反射器反射面上的光线大于ε角；
[0055]步骤2.4，沿所述中心倾斜透镜的倾斜方向对所述矩形抛物面反射器的出射口进行切割，得到非轴对称的矩形抛物面反射器。
[0056]优选的是，所述中心倾斜透镜的倾斜角度范围在0
°
～45
°
之间。
[0057]优选的是，所述矩形抛物面反射器(5)的内表面(3)为适用于所述LED光源(6)的反光材料。
[0058]优选的是，所述LED光源(6)为面光源。
[0059]本专利技术的有益效果如下：基于倾斜透镜的原理，使LED面光源在坡路面上成倾斜像，该LED坡路面照明光学系统由中心倾斜透镜和矩形抛物面反射器组成，中心倾斜透镜采用适用于坡路面的同步自由多曲面的方法进行设计，矩形抛物面反射器采用边缘光线原理进行设计，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于坡路面照明的LED光学系统，其特征在于，包括中心倾斜透镜(4)、矩形抛物面反射器(5)，以及LED光源(6)；其中：矩形抛物面反射器5为上部开口且内表面(3)均为抛物面的中空方体结构，外轮廓为方体结构的所述中心倾斜透镜(4)可拆卸的覆盖安装在所述矩形抛物面反射器(5)的上部开口处；所述LED光源(6)位于所述矩形抛物面反射器(5)的内底面上，与所述中心倾斜透镜(4)及所述矩形抛物面反射器(5)配合成像于坡路面。2.根据权利要求1所述的一种适用于坡路面照明的LED光学系统，其特征在于，所述中心倾斜透镜(4)与所述矩形抛物面反射器(5)的上端口通过镜筒连接。3.一种适用于坡路面照明的LED光学系统的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，所述中心倾斜透镜(4)的设计；采用适用于坡路面的同步多曲面设计方法进行优化设计；步骤1.1，确定所述中心倾斜透镜(4)的实体；步骤1.11，定义LED光源(6)上任意一条出射光线为E1E2和其对应的坡路受光面受光线为R1R2，中轴oo'与E1E2垂直平分，且E1点发出的边缘光线对应的汇聚到坡路受光面的端点R2处，E2点发出的边缘光线对应的汇聚到坡路受光面的端点R1处；步骤1.12，选择所述E1点发出的一条光线r1在所述中轴oo'上发生折射的点P0作为所述中心倾斜透镜(4)的上表面(2)上第一点链的起始点；步骤1.13，所述光线r1在所述P0点的折射光线上任意选择一点P1作为所述中心倾斜透镜(4)的下表面(1)上第二点链的起始点；步骤1.14，假设所述光线r1在所述P1点处折射并射向所述端点R2，确定出所述光线r1在所述P1点处的法向量n1的方向；步骤1.15，根据所述光线r1的传播路径计算公式(15)得到由所述E1点到所述端点R2之间的光程Γ1；Γ1＝[E1,P0]+n1[P0,P1]+[P1,R2]
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(15)步骤1.16，E2发出的一条光线r2过点P1折射后的光线P1R1的方向已经确定，根据折射定律的矢量形式：其中：n为中心倾斜透镜的折射率，N为光线在P点的法向量：再根据公式：x
i+1
＝y
i+1
tan(A
i+1
)
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(18)其中：P
i
的点坐标为(x
i
,y
i
),P
i+1
的点坐标为(x
i+1
,y
i+1
)，k为P
i
的切线的斜率；A
i+1
为点P
i+1
的倾斜角度；联立公式(17)、(18)得到相邻采样点之间的迭代关系，即可确定所述中心倾斜透镜(4)上表面(2)的下一点P2以及该点处的法向n2；由公式(19)光线r2的传播路径可以求得由E2到R1之间的光程Γ2；
Γ2＝[E2,P2]+n2[P2,P1]+[P1,R1]
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(19)步骤1.17，根据同一光源对应的同一像点所有的光线光程相同原理，交替应用步骤1.16分别确定出所述中心倾斜透镜(4)的第一点链的点、所述中心倾斜透镜(4)的第二点链的点，直到所述第一点链和所述第二点链相交；步骤1.18，步骤1.11中所述中轴oo'下部的透镜仍通过步骤1.11～步骤1.17确定；以所述中心倾斜透镜(4)上表面(2)、下表面(1)的两个交点连线为直径做矩形的对角线，运用构建网格的形式，得到所述中心倾斜透镜(4)的实体；步骤1.2，计算所述中心倾斜透镜(4)焦距；基于倾斜透镜的成像原理，根据步骤1.1所述中心倾斜透镜(4)和目标坡路面的物距和像距确定所述中心倾斜透镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云翠，潘妲，张鑫鹏，谢蓄芬，陈宇昂，樊敏菊，严舒涵，
申请(专利权)人：大连工业大学，
类型：发明
国别省市：