一种优化复眼透镜轮廓模拟方法及复眼透镜技术

本发明专利技术公开了一种优化复眼透镜轮廓模拟方法及复眼透镜，包括：确定目标面的照明区域，模拟光线经复眼透镜的前表面后入射至复眼透镜的后表面，再经过后表面偏折到达目标面的照明区域；建立直角坐标系，根据snell定律计算入射光线的单位方向矢量、出射光线的单位方向矢量以及后表面上射出点的单位法矢这三者的关系式；根据不同介质下的折射率计算出后表面上射出点的单位法矢在x轴、y轴、z轴的三个分量；根据三个分量式构建后表面上射出点位置的偏微分方程组，通过目标面的照明区域求得复眼透镜的后表面上射出点的轮廓坐标，根据轮廓坐标绘制出复眼透镜的后表面轮廓。本发明专利技术设计得到的复眼透镜能有效去除杂散光增加光效，还能降低复眼透镜的高度。低复眼透镜的高度。低复眼透镜的高度。

【技术实现步骤摘要】
一种优化复眼透镜轮廓模拟方法及复眼透镜


[0001]本专利技术涉及透镜
，具体涉及一种优化复眼透镜轮廓模拟方法及复眼透镜。

技术介绍

[0002]LED光源直接输出光的光束角较大，在进行远距离照明时，目标面上接收到的光线比较少。一般的解决办法是：在LED光源前添加一个优化复眼透镜，原本较大的光束角经过优化复眼透镜使其到达一个较小的范围，并且保证光斑均匀度的情况下提升光效。
[0003]相关改进后的优化复眼透镜虽然能有效去除杂散光增加光效，但是为了将优化后的复眼透镜能成功安装在LED光源上，需要保证其底部开口大小大于LED光源封装的大小，因为底部开口的大小与透镜本身的高度存在一定的关系，在增加光效上会进而导致改进后的优化复眼透镜的高度偏高，也会造成其他问题，比如透镜制造效率降低、制作成本提高，电路PCB板和灯具的尺寸也会随之增大。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术提供的技术方案为：
[0005]一种优化复眼透镜轮廓模拟方法，包括：
[0006]确定目标面的照明区域，模拟光线经复眼透镜的前表面后入射至复眼透镜的后表面，再经过复眼透镜的后表面偏折到达目标面的照明区域；
[0007]建立直角坐标系，根据snell定律，计算入射光线的单位方向矢量、出射光线的单位方向矢量以及复眼透镜的后表面上射出点的单位法矢这三者之间的关系式；
[0008]根据不同介质下的折射率计算出复眼透镜的后表面上射出点的单位法矢在x轴、y轴、z轴的三个分量；
[0009]根据三个分量式构建一个复眼透镜的后表面上射出点位置的偏微分方程组，通过目标面的照明区域求得复眼透镜的后表面上射出点的轮廓坐标，根据轮廓坐标绘制出复眼透镜的后表面轮廓。
[0010]本专利技术进一步设置为所述复眼透镜的前表面为平面，所述复眼透镜的后表面为自由曲面，在所述复眼透镜的前表面上建立直角坐标系，所述复眼透镜的前表面位于所述直角坐标系的oxy坐标面上。
[0011]本专利技术进一步设置为所述模拟光线的入射光束R与所述直角坐标系的z轴平行，所述入射光束R的单位方向向量为I＝(0,0,1)。
[0012]本专利技术进一步设置为在所述直角坐标系中，令所述复眼透镜的后表面上射出点为P(x,y,z(x,y))，所述复眼透镜的后表面上射出点P处的单位法矢N可表示为式(1)：
[0013][0014]式中z
x
和z
y
分别是z关于x轴和y轴上的一阶偏导数；
[0015]假设为点T(t
x
,t
y
,t
z
)是由出射光线由射出点P照射在目标面上的照射点，则出射光线的单位方向矢量O可表示为式(2)：
[0016][0017]式中向量P和向量T为各自的位置矢量，T
‑
P＝(t
x
‑
x,t
y
‑
y,t
z
‑
z)。
[0018]本专利技术进一步设置为根据snell定律，所述入射光束R的单位方向向量I、所述出射光线的单位方向矢量O以及所述复眼透镜的后表面上射出点P处的单位法矢N三者满足式(3)的关系：
[0019][0020]式中n
o
和n
i
分别为透镜所在介质的折射率和自由曲面透镜材料的折射率，对于所处介质为空气的自由曲面反射器设计，由式(3)可得式(4)：
[0021][0022]式中I
x
，I
y
，I
z
为入射光束R的单位方向向量I在x，y，z轴上的三个分量，O
x
，O
y
，O
z
为出射光线的单位方向矢量O在x，y，z轴上的三个分量，N
x
，N
y
，N
z
为复眼透镜的后表面上射出点P处的单位法矢N在x，y，z轴上的三个分量，由此可得式(5)：
[0023][0024]对式(5)化简得到一个关于Z
x
，Z
y
的偏微分方程组，如式(6)：
[0025][0026]本专利技术进一步设置为所述模拟光线以基础模型高斯光束为光源，所述模拟光线在所述复眼透镜的前表面的光照强度为式(7)：
[0027][0028]式中w
o
为设计透镜的前表面在光源振幅中心1/e的半径；
[0029]根据能量守恒定律，在目标面照明区域的照度为式(8)：
[0030][0031]式中R
a
为前表面的最大半径，θ
a
，θ
i
，r
a
，r
i
分别为所述目标面的照明区域中光斑的扇形区域的最大角度、最小角度以及光斑的最大半径、最小半径。
[0032]本专利技术进一步设置为采用四阶Runge
‑
Kutta方法对所述偏微分方程组进行数值求
解，得到所述复眼透镜的后表面的离散数据，将所述离散数据导入AutoCAD进行曲面拟合，构造出所述复眼透镜的后表面曲面。
[0033]本专利技术进一步设置为基于所述复眼透镜的后表面曲面，对所述复眼透镜进行阵列设计得到最佳出光面。
[0034]本专利技术进一步设置为所述复眼透镜的材质为PMMA或PC。
[0035]一种复眼透镜，采用上述优化复眼透镜轮廓模拟方法制备获得。
[0036]采用本专利技术提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0037]本技术方案复眼透镜轮廓模拟方法对复眼透镜的后表面进行了优化，通过该方法设计得到的复眼透镜不仅能有效去除杂散光增加光效，还能降低复眼透镜的高度，与之相匹配的电路PCB板和灯具的尺寸也会随之减小，提高了透镜制造效率、降低了透镜的生产成本。
附图说明
[0038]图1为本专利技术实施例优化复眼透镜轮廓模拟方法流程图。
[0039]图2为本专利技术实施例复眼透镜的后表面设计示意图。
[0040]图3为本专利技术实施例采用自由曲面设计的复眼透镜在照明区域上光斑示意图。
具体实施方式
[0041]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0042]实施例1
[0043]结合附图1和附图2，本专利技术技术方案是一种优化复眼透镜轮廓模拟方法，包括：
[0044]确定目标面的照明区域，模拟光线经复眼透镜的前表面后入射至复眼透镜的后表面，再经过复眼透镜的后表面偏折到达目标面的照明区域；
[0045]建立直角坐标系，根据snell定律，计算入射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种优化复眼透镜轮廓模拟方法，其特征在于，包括：确定目标面的照明区域，模拟光线经复眼透镜的前表面后入射至复眼透镜的后表面，再经过复眼透镜的后表面偏折到达目标面的照明区域；建立直角坐标系，根据snell定律，计算入射光线的单位方向矢量、出射光线的单位方向矢量以及复眼透镜的后表面上射出点的单位法矢这三者之间的关系式；根据不同介质下的折射率计算出复眼透镜的后表面上射出点的单位法矢在x轴、y轴、z轴的三个分量；根据三个分量式构建一个复眼透镜的后表面上射出点位置的偏微分方程组，通过目标面的照明区域求得复眼透镜的后表面上射出点的轮廓坐标，根据轮廓坐标绘制出复眼透镜的后表面轮廓。2.根据权利要求1所述的一种优化复眼透镜轮廓模拟方法，其特征在于，所述复眼透镜的前表面为平面，所述复眼透镜的后表面为自由曲面，在所述复眼透镜的前表面上建立直角坐标系，所述复眼透镜的前表面位于所述直角坐标系的oxy坐标面上。3.根据权利要求2所述的一种优化复眼透镜轮廓模拟方法，其特征在于，所述模拟光线的入射光束R与所述直角坐标系的z轴平行，所述入射光束R的单位方向向量为I＝(0,0,1)。4.根据权利要求3所述的一种优化复眼透镜轮廓模拟方法，其特征在于，在所述直角坐标系中，令所述复眼透镜的后表面上射出点为P(x,y,z(x,y))，所述复眼透镜的后表面上射出点P处的单位法矢N可表示为式(1)：式中z
x
和z
y
分别是z关于x轴和y轴上的一阶偏导数；假设为点T(t
x
,t
y
,t
z
)是由出射光线由射出点P照射在目标面上的照射点，则出射光线的单位方向矢量O可表示为式(2)：式中向量P和向量T为各自的位置矢量，T
‑
P＝(t
x
‑
x,t
y
‑
y,t
z
‑
z)。5.根据权利要求4所述的一种优化复眼透镜轮廓模拟方法，其特征在于，根据snell定律，所述入射光束R的单位方向向量I、所述出射光线的单位方向矢量O以及所述复眼透镜的后表面上射出点P处的单位法矢N三者满足式(3)的关系：式中n
o
和n
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：董晨阳，樊军，仇旻，
申请(专利权)人：浙江光锥科技有限公司，
类型：发明
国别省市：