【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于非成像光学设计，具体涉及一种透镜与反射器混合结构的光学系统。
技术介绍
1、led光源采用高光效集成面光源技术，拥有较为成熟的封装方式，具有高显色、发光均匀、安装方便、维护成本低等优势。因此cob封装的led光源被广泛应用于大功率灯具中。同时，近年来非成像光学的设计理论和设计方法也相当成熟，在道路照明、车灯照明、医疗设备照明、深海照明等多方面都展现了光学设计的重要性。本文通过对光学系统结构的设计，使灯具实现大功率、匀光、低眩光照明，可以应用于室内场馆照明场景，对于应用光学中降低功耗、降低眩光、匀光照明等多方面具有现实意义。
2、自由曲面光学的设计与制造是光学工程领域的前沿代表性技术之一。场馆等大范围照明灯具的眩光是光学设计中的重点以及难点。本设计结合大功率cob光源、透镜、反射器多种结构，提出了一种透镜与反射器混合结构的光学系统设计方法，设计了具有准直光束且使光线均匀的匀光准直透镜，以及锥面倾角可调节的锥面反射器和自由曲面反射器，光线经过透镜与反射器的混合结构，经过两次反射形成均匀的照明效果。通过透镜与反射器的混合结构避免了直射光线，降低了眩光并形成了大范围的匀光照明。
技术实现思路
1、为了解决上述存在的问题，本专利技术提出：一种透镜与反射器混合结构的光学系统，包括用于封闭外部的光学系统基板、自由曲面反射器、锥形玻璃防护罩，光学系统基板固定在自由曲面反射器上；位于内部的锥面反射器设置在锥形玻璃防护罩的底部，匀光准直透镜通过柱状连接器与光学系统基板连接并固
2、进一步地，匀光准直透镜采用pmma材质，锥形玻璃防护罩采用pc材质，锥面反射器与自由曲面反射器采用反射器铝膜材质，光学系统基板与柱状连接器采用铝合金材料。
3、进一步地，匀光准直透镜由前、后两个折射面构成，使led光源发出的光线都经过两次折射，形成均匀的平行光线，锥面反射器底面半径为rn，且与光学系统光轴垂直距离为ri的光线经过锥面反射器和自由曲面反射器在目标接收面上形成光斑的半径为ri，且ri与ri间的关系等式为：
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5、光线通过匀光准直透镜的折射后被分成n部分的环形通量，根据能量守恒，得到反射光线的角度θi与目标接收面的光斑半径ri之间的关系，其中φ是led光源的总光通量，e为目标接收面上的照度，ri为入射点pi对应的光线与光学系统光轴之间的垂直距离，垂直距离为ri的平行光线经过锥面反射器和自由曲面反射器，在目标接收面上形成半径为ri的光斑，经过自由曲面反射器反射光线的入射角βi如式所示，
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7、其中h为圆锥顶点与目标表面的垂直距离，γ为圆锥表面与光轴的夹角，为自由曲面反射器表面上任意一点，切线的斜率ki如式所示，
8、
9、点pi的横坐标xi,yi与纵坐标xi,yi的关系如式所示
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11、通过点pi以及切线公式，得到pi+1xi+1，yi+1的计算公式如下:
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14、根据上述一系列迭代计算，得到自由曲面反射器的所有表面形状，并在目标接收面形成设计的圆形光斑，通过改变圆锥倾角和自由曲面的设计，获得不同照明范围和均匀照度的照明效果。
15、进一步地，led光源与匀光准直透镜的距离为l，l与出光孔径rn有如下关系：
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17、其中，ωn为光源的最大出光角度，改变距离l的大小，调节出射光线的角度。
18、进一步地，根据照明范围的需求，调节锥面反射器锥面倾角γ和自由曲面反射器面型，形成不同范围的照明。
19、本专利技术的有益效果为：本专利技术在系统结构上相互配合，可以将led光源发出的光经过透镜和反射器的折射、反射等，达到大角度、低眩光的均匀出光效果，与透射式的led光学系统光源传输距离和照射范围受到限制相比，本专利技术能使光照效果更均匀，更能发挥大功率led光源的优势并弥补该类光源在眩光问题上的不足。除此之外，通过调节锥面倾角和自由曲面反射器的对光线的发散角度，能够自行调整发光效果，适应不同情况的照明要求。
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1.一种透镜与反射器混合结构的光学系统，其特征在于，包括用于封闭外部的光学系统基板(1)、自由曲面反射器(2)、锥形玻璃防护罩(6)，光学系统基板(1)固定在自由曲面反射器(2)上；位于内部的锥面反射器(5)设置在锥形玻璃防护罩(6)的底部，匀光准直透镜(4)通过柱状连接器(7)与光学系统基板(1)连接并固定，LED光源(3)位于匀光准直透镜(4)的前部，所述LED光源(3)、匀光准直透镜(4)、锥面反射器(5)处于光学系统的中心线上顺序排列，匀光准直透镜(4)和锥面反射器(5)整体为以中心对称的回转体结构，所述自由曲面反射器(2)通过锥形玻璃防护罩(6)与锥面反射器(5)相连并固定，LED光源(3)发出光线，经过匀光准直透镜(4)后折射形成准直的均匀光线，出射到达位于光轴上的锥面反射器(5)，经反射器反射以特定角度射向自由曲面反射器(2)，经过锥面反射器(5)与自由曲面反射器(2)的反射，光通过该光学系统，在目标接收面形成一个均匀的圆形光斑。
2.如权利要求1所述的透镜与反射器混合结构的光学系统，其特征在于，匀光准直透镜(4)采用PMMA材质，锥形玻璃防护罩(6)采
3.如权利要求1所述的透镜与反射器混合结构的光学系统，其特征在于，匀光准直透镜(4)由前、后两个折射面构成，使LED光源(3)发出的光线都经过两次折射，形成均匀的平行光线，锥面反射器(5)底面半径为rn，且与光学系统光轴垂直距离为ri的光线经过锥面反射器(5)和自由曲面反射器(2)在目标接收面上形成光斑的半径为Ri，且ri与Ri间的关系等式为：
4.如权利要求3所述的透镜与反射器混合结构的光学系统，其特征在于，LED光源(3)与匀光准直透镜(4)的距离为L，L与出光孔径Rn有如下关系：
5.如权利要求1所述的透镜与反射器混合结构的光学系统，其特征在于，根据照明范围的需求，调节锥面反射器(5)锥面倾角γ和自由曲面反射器面型，形成不同范围的照明。
...【技术特征摘要】
1.一种透镜与反射器混合结构的光学系统，其特征在于，包括用于封闭外部的光学系统基板(1)、自由曲面反射器(2)、锥形玻璃防护罩(6)，光学系统基板(1)固定在自由曲面反射器(2)上；位于内部的锥面反射器(5)设置在锥形玻璃防护罩(6)的底部，匀光准直透镜(4)通过柱状连接器(7)与光学系统基板(1)连接并固定，led光源(3)位于匀光准直透镜(4)的前部，所述led光源(3)、匀光准直透镜(4)、锥面反射器(5)处于光学系统的中心线上顺序排列，匀光准直透镜(4)和锥面反射器(5)整体为以中心对称的回转体结构，所述自由曲面反射器(2)通过锥形玻璃防护罩(6)与锥面反射器(5)相连并固定，led光源(3)发出光线，经过匀光准直透镜(4)后折射形成准直的均匀光线，出射到达位于光轴上的锥面反射器(5)，经反射器反射以特定角度射向自由曲面反射器(2)，经过锥面反射器(5)与自由曲面反射器(2)的反射，光通过该光学系统，在目标接收面形成一个均匀的圆形光斑。
2.如权利要求1所述的透镜与反射...
【专利技术属性】
技术研发人员：李忠奎，李明益，张云翠，
申请(专利权)人：大连益盛达智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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