專利名稱：一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于LED封裝技術(shù)，涉及LED封裝中的一種光束可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，特別應(yīng)用于LED封裝中實(shí)現(xiàn)光束控制、滿足不同照明需求的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
LED (Light Emitting Diode)是一種基于P-N結(jié)電致發(fā)光原理制成的半導(dǎo)體發(fā)光器件，具有電光轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保節(jié)能、體積小等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)綠色照明光源，如能應(yīng)用于傳統(tǒng)照明領(lǐng)域?qū)⒌玫绞诛@著的節(jié)能效果，這在全球能源日趨緊張的當(dāng)今意義重大。隨著以氮化物為代表的第三代半導(dǎo)體材料技術(shù)的突破，基于大功率高亮度發(fā)光二極管(LED)的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)在全球迅速興起，正成為半導(dǎo)體光電子產(chǎn)業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，并在傳統(tǒng)照明領(lǐng)域引發(fā)了一場(chǎng)革命。LED由于其獨(dú)特的優(yōu)越性，已經(jīng)開始在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，被業(yè)界認(rèn)為是未來照明技術(shù)的主要發(fā)展方向，具有巨大的市場(chǎng)潛力。一般的，直接采用大功率白光LED得到的照明效果是不均勻的圓形光斑，無法滿足照明要求，因此，需要采用光學(xué)元件來對(duì)照明效果進(jìn)行控制。目前最廣泛采用的是元件是一次透鏡或二次透鏡。但是傳統(tǒng)的透鏡設(shè)計(jì)方法是僅僅設(shè)計(jì)透鏡外表面，而把透鏡內(nèi)表面假設(shè)為半球形，以使透鏡設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便。從LED發(fā)出的光達(dá)到照射面會(huì)依次經(jīng)過透鏡內(nèi)、外表面，發(fā)生兩次折射，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中直接把透鏡內(nèi)表面假設(shè)為半球形，會(huì)失去一個(gè)重要的透鏡設(shè)計(jì)自由度，并且透鏡形狀不能根據(jù)應(yīng)用進(jìn)行隨意調(diào)整。因此，發(fā)展一種同時(shí)設(shè)計(jì)透鏡內(nèi)、外表面、并且滿足不同照明要求的設(shè)計(jì)方法尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光型可控的雙自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法，該方法能夠同時(shí)設(shè)計(jì)透鏡內(nèi)、外表面、并且滿足不同照明要求。本發(fā)明提供的一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于按照能量等分原理，以光源0位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，將光源的三維空間按經(jīng)緯線劃分成經(jīng)線和緯線相交的網(wǎng)格圖，使每個(gè)網(wǎng)格的光通量相等；將目標(biāo)面劃分成等面積的格子區(qū)域，每個(gè)格子區(qū)域的光通量相等；根據(jù)待設(shè)計(jì)的雙自由曲面透鏡的目標(biāo)面的對(duì)稱性選擇方式A或方式B進(jìn)行設(shè)計(jì)方式A :待設(shè)計(jì)的雙自由曲面透鏡的目標(biāo)面為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，根據(jù)給定的條件，選擇對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方式為Al :通過給定的雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的函數(shù)關(guān)系，通過從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向，根據(jù)雙自由曲面透鏡內(nèi)表面函數(shù)關(guān)系，根據(jù)斯涅爾定律得到光線通過雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的折射光線的方向，然后結(jié)合最終的出射光線的方向， 根據(jù)斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡外表面的法向和切向方向，進(jìn)而得到雙自由曲面透鏡外表面上點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后將得到的雙自由曲面透鏡的外表面的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，結(jié)合給定的雙自由曲面透鏡內(nèi)表面，得到雙自由曲面透鏡的橫截面，將橫截面繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡；A2 :通過給定的雙自由曲面透鏡外表面的函數(shù)關(guān)系，通過結(jié)合從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向，以及光線在雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面的折射關(guān)系以及最終的出射光線的方向，根據(jù)斯涅爾定律求解出光線通過雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面上點(diǎn)的坐標(biāo)，然后將得到的雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，結(jié)合給定的雙自由曲面透鏡外表面，得到雙自由曲面透鏡的橫截面，將橫截面繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡；A3:通過從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向以及最終的出射光線的方向，得到光線經(jīng)過雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面后的光線偏折角度，然后按照預(yù)先設(shè)定的分配比例，將總的光線偏折角度分成第一次光線偏折角度和第二次光線偏折角度，第一次光線偏折角度是指發(fā)生在光線經(jīng)過雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面時(shí)的入射光線與折射光線的夾角，第二次光線偏折角度發(fā)生在光線經(jīng)過雙自由曲面透鏡的外表面時(shí)的入射光線與折射光線的夾角；結(jié)合入射光線的方向與第一次光線偏折角度，根據(jù)斯涅爾定律得到光線在雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面的出射方向，進(jìn)而得到雙自由曲面透鏡內(nèi)表面上點(diǎn)的坐標(biāo)；從雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面的折射光線即為雙自由曲面透鏡的外表面的入射光線，然后結(jié)合最終的出射光線的方向，根據(jù)斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡外表面上點(diǎn)的坐標(biāo)；然后將得到的雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到雙自由曲面透鏡的橫截面，將橫截面繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡；方式B :待設(shè)計(jì)的雙自由曲面透鏡的目標(biāo)面為非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，根據(jù)給定的條件，選擇對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方式為BI :通過給定的雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的函數(shù)關(guān)系，通過從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向，根據(jù)雙自由曲面透鏡內(nèi)表面函數(shù)關(guān)系，根據(jù)斯涅爾定律得到光線通過雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的折射光線的方向，然后結(jié)合最終的出射光線的方向， 根據(jù)斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡外表面的法向和切向方向，進(jìn)而得到雙自由曲面透鏡外表面上的點(diǎn)的坐標(biāo)；將得到的雙自由曲面透鏡外表面曲線作為雙自由曲面透鏡的第一條種線，通過入射光線的方向與前一條種線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的切平面，得到雙自由曲面透鏡的下一條種線上點(diǎn)的坐標(biāo)；得到所有的種線后，將得到的雙自由曲面透鏡的外表面的種線上的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到一條條的自由曲線，然后將所有的自由曲線縫合成自由曲面， 結(jié)合給定的雙自由曲面透鏡內(nèi)表面，得到非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡；B2 :通過給定的雙自由曲面透鏡外表面的函數(shù)關(guān)系，通過結(jié)合從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向，以及光線在雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面的折射關(guān)系以及最終的出射光線的方向，根據(jù)斯涅爾定律求解出光線通過雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面上點(diǎn)的坐標(biāo)，然后將得到的內(nèi)表面的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到雙自由曲面透鏡的第一條種線；通過入射光線的方向與前一條種線對(duì)應(yīng)點(diǎn)的切平面，得到雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的下一條種線上的點(diǎn)的坐標(biāo)；得到所有的雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的種線上的點(diǎn)的坐標(biāo)后， 將每條種線上的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到一條條的自由曲線，然后將所有的自由曲線縫合成自由曲面，結(jié)合給定的雙自由曲面透鏡外表面，得到非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透 B3:通過從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向以及最終的出射光線的方向，得到光線經(jīng)過雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面后的光線偏折角度，然后預(yù)先設(shè)定的分配比例，將總的光線偏折角度分成第一次光線偏折角度和第二次光線偏折角度，第一次光線偏折角度是指發(fā)生在光線經(jīng)過雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面時(shí)的入射光線與折射光線的夾角，第二次光線偏折角度發(fā)生在光線經(jīng)過雙自由曲面透鏡的外表面時(shí)的入射光線與折射光線的夾角；結(jié)合透鏡的入射光線的方向與第一次光線偏折角度，得到光線在雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面的出射方向，進(jìn)而根據(jù)斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的點(diǎn)的坐標(biāo)； 從雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面的折射光線即為雙自由曲面透鏡的外表面的入射光線，然后結(jié)合最終的出射光線的方向，根據(jù)斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡外表面的點(diǎn)的坐標(biāo)；將得到的雙自由曲面透鏡內(nèi)、外表面曲線上的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到雙自由曲面透鏡內(nèi)、外表面的第一條種線；通過入射光線的方向與前一條種線對(duì)應(yīng)點(diǎn)的切平面，得到雙自由曲面透鏡內(nèi)、外表面的下一條種線上點(diǎn)的坐標(biāo)；得到所有的雙自由曲面透鏡內(nèi)、外表面的種線上的點(diǎn)的坐標(biāo)后，將種線上的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到一條條的自由曲線，然后將所有的自由曲線縫合成自由曲面，得到非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡。雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面高度可以根據(jù)不同LED封裝形式進(jìn)行調(diào)節(jié)，高度可控，可以應(yīng)用于LED支架式、板上芯片、陣列式、系統(tǒng)封裝、印刷電路板封裝和硅基封裝等封裝形式。雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面形狀可以是適應(yīng)不同封裝需要的不同形狀，比如半球形、圓柱形、橢球形、拋物形、立方體形、棱臺(tái)形、圓臺(tái)形或自由曲面形等。雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面能夠?qū)崿F(xiàn)光束控制，滿足各種不同照明要求，實(shí)現(xiàn)多種不同的照明效果，比如均勻圓形光斑、均勻矩形光斑、均勻多邊形光斑等。


圖I為本發(fā)明方法的光源的劃分方法；圖2(1)、圖2(2)、圖2(3)為本發(fā)明方法的目標(biāo)面的劃分方法；圖3 (I)、圖3 (2)、圖3 (3)本發(fā)明的雙自由曲面透鏡種線設(shè)計(jì)方法；圖4(1)為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡的構(gòu)造方法，圖4(2)為非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡的構(gòu)造方法；圖5 (I)、圖5(2)為第一實(shí)施例的雙自由曲面透鏡示意圖及照度分布圖；圖6(1)、圖6(2)為第二實(shí)施例的雙自由曲面透鏡示意圖及照度分布圖；圖7 (I)、圖7(2)為第三實(shí)施例的雙自由曲面透鏡示意圖及照度分布圖；圖8(1)、圖8(2)為第四實(shí)施例的雙自由曲面透鏡示意圖及照度分布圖；圖9(1)、圖9(2)、圖9(3)分別為第五實(shí)施例的雙自由曲面透鏡俯視圖、A-A剖面圖和B-B剖面圖。300 目標(biāo)面，301 :雙自由曲面透鏡外表面,302 :雙自由曲面透鏡內(nèi)表面,303 ;切平面。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，設(shè)光源0位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，將三維空間劃分按照經(jīng)緯線劃分，緯線劃分成N份，經(jīng)線劃分成M份，得到經(jīng)線和緯線相交的網(wǎng)格圖。緯線和經(jīng)線劃分的原則是保證每個(gè)微元網(wǎng)格的光通量相等。通過光源的網(wǎng)格劃分，得到每條光線的方向。
將目標(biāo)面劃分成等面積的格子區(qū)域，每個(gè)格子區(qū)域的光通量相等。根據(jù)照明需要， 目標(biāo)面可以是圓形、矩形或其他形狀，格子區(qū)域的形狀可以是圓環(huán)形、扇形、矩形、梯形或其他形狀；如圖2(1)所示，當(dāng)目標(biāo)面是圓形時(shí)，將目標(biāo)面按經(jīng)緯線劃分成N份，緯線為同心圓，每一個(gè)圓環(huán)的面積相等，經(jīng)線為等角度劃分成M份，則每一個(gè)微元面積相等。如圖2(2) 所示，當(dāng)目標(biāo)面是矩形時(shí)，由對(duì)稱性取目標(biāo)面的四分之一進(jìn)行劃分，將目標(biāo)面的長(zhǎng)劃分為相等的N份，寬劃分為M份，每個(gè)微元面為矩形，面積相等；或者如圖2(3)所示，將四分之一的目標(biāo)面的一個(gè)直角等分成N份，長(zhǎng)和寬分成M份，每一個(gè)微元面為等面積的梯形。M、N的取值范圍根據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算量來確定，一般而言，M、N的取值范圍均為100至2000，二者的具體取值可以不等。如圖3 (I)所示，當(dāng)給定雙自由曲面透鏡的外表面301的函數(shù)關(guān)系z(mì) = f(x，y)時(shí)， 其中，(x，y，z)表示雙自由曲面透鏡外表面上的點(diǎn)在X-Y-Z三維空間中的坐標(biāo)。根據(jù)安裝需要給定雙自由曲面透鏡內(nèi)表面302頂點(diǎn)Atl作為雙自由曲面透鏡內(nèi)表面302的起始高度， 并且其法線垂直向上，其切平面303水平；通過圖I所示的光源的劃分，得到所有入射光線的角度；根據(jù)入射光線OA1和過Atl的切平面303，得到雙自由曲面透鏡內(nèi)表面302第二點(diǎn)A1 的坐標(biāo)；根據(jù)A1的坐標(biāo)和目標(biāo)面300對(duì)應(yīng)點(diǎn)R1的坐標(biāo)以及外表面301的切平面，通過斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡外表面301第二點(diǎn)B1的坐標(biāo)，進(jìn)而得到雙自由曲面透鏡內(nèi)表面 302折射光線A1B1的方向，結(jié)合入射光線OA1的方向，通過斯涅爾定律得到A1點(diǎn)的法線方向和切平面303 ;依次類推，得到雙自由曲面透鏡內(nèi)表面302上所有點(diǎn)An的坐標(biāo)。參見圖3(2)所示，當(dāng)給定雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面302的函數(shù)關(guān)系z(mì) = f(x, Y) 時(shí)，其中，(x，y，z)表示雙自由曲面透鏡內(nèi)表面上的點(diǎn)在X-Y-Z三維空間中的坐標(biāo)。根據(jù)透鏡安裝需要給定雙自由曲面透鏡的外表面301頂點(diǎn)B。作為雙自由曲面透鏡外表面301的起始高度，并且其法線垂直向上，其切平面303水平；通過圖I所示的光源的劃分，得到所有入射光線的角度；根據(jù)第一條入射光線OA1和內(nèi)表面302的函數(shù)關(guān)系z(mì) = (x，y)，得到內(nèi)表面302第一點(diǎn)A1的坐標(biāo)以及內(nèi)表面302折射光線的方向A1B1 ;根據(jù)光線A1B1的方向以及過 B。點(diǎn)的切平面303，通過斯涅爾定律得到外表面301第一點(diǎn)B1的坐標(biāo)；根據(jù)光線A1B1和最終的出射光線B1R1，通過斯涅爾定律得到外表面301第一點(diǎn)B1的法線方向以及切平面303方向；依次類推，得到外表面301所有點(diǎn)Bn的坐標(biāo)。雙自由曲面透鏡的外表面301或內(nèi)表面302的起始高度(即外表面301的頂點(diǎn)B。 坐標(biāo)或內(nèi)表面302的頂點(diǎn)Atl坐標(biāo))是根據(jù)雙自由曲面透鏡的類型和尺寸來確定如果是一次透鏡，內(nèi)表面302的起始高度的取值范圍是I毫米至5毫米，外表面301的起始高度的取值范圍是2毫米至10毫米；如果是二次透鏡，內(nèi)表面302的起始高度的取值范圍是3毫米至10毫米，外表面301的起始高度的取值范圍是5毫米至30毫米。雙自由曲面透鏡的外表面301或內(nèi)表面302的函數(shù)關(guān)系是通過預(yù)先設(shè)定的表面形狀和雙自由曲面透鏡的起始高度來給定，比如當(dāng)表面形狀是半球形，起始高度為4毫米，則函數(shù)關(guān)系為z = (42-x2-y2)a5 ;當(dāng)表面形狀是圓柱形，起始高度為2毫米，則函數(shù)關(guān)系為z =
(x2+y2)0.5(0 彡 z 彡 2)。參見圖3(3)所示,通過圖I所示的光源能量劃分和圖2所示的目標(biāo)面300的劃分， 得到所有入射光線OAi的方向和目標(biāo)面300上對(duì)應(yīng)點(diǎn)Ri的坐標(biāo)，進(jìn)而得到每條光線的總偏折角度Di ;將每條光線的偏折角度按照預(yù)先設(shè)定的比例關(guān)系拆分成兩個(gè)小偏折角度，記為偏折角度dn和偏折角度d2i ;根據(jù)安裝需要，給定Atl和Btl為透鏡內(nèi)表面302、外表面301的起始高度，并且其法線垂直向上，其切平面303水平；根據(jù)第一條條入射光線OA1和過Atl點(diǎn)的切平面303，得到內(nèi)表面302上A1的坐標(biāo)；根據(jù)偏折角度dn，通過斯涅爾定律得到內(nèi)表面 302折射光線A1B1的方向和A1點(diǎn)的切平面303 ;根據(jù)折射光線A1B1以及偏折角度d12，得到最終出射光線B1R1的方向，進(jìn)而通過斯涅爾定律得到外表面301上B1的坐標(biāo)和切平面303 ； 依次類推，得到內(nèi)表面302、外表面301上所有點(diǎn)An和Bn的坐標(biāo)。所述兩個(gè)偏折角度預(yù)先設(shè)定的比例關(guān)系通常根據(jù)兩次光線偏折程度來確定，其比例關(guān)系通常為I : 20至20 I。所述的斯涅爾定律描述的是光線入射到物體表面時(shí)的入射光線、折射光線和物體表面的法向方向三者之間的關(guān)系，知道其中任意兩個(gè)量就可以求出第三個(gè)量。參見圖4(1)，當(dāng)透鏡為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，通過圖3所示的方法得到的透鏡內(nèi)表面點(diǎn)Ai 或外表面的點(diǎn)Bi,采用點(diǎn)列插值、能量逼近、曲線光順或非統(tǒng)一有理B樣條曲線等曲線構(gòu)造方法連接成一條光滑的自由曲線，將得到的自由曲線作為透鏡的種線，繞旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)得到雙自由曲面透鏡實(shí)體。參見圖4(2)，當(dāng)透鏡為非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，可以先設(shè)計(jì)四分之一的雙自由曲面透鏡，然后通過兩次軸對(duì)稱得到整個(gè)雙自由曲面透鏡。通過圖3所示的方法得到的透鏡內(nèi)表面或外表面的點(diǎn)Pli作為第一條種線LI ;通過入射光線I的方向與第一條種線LI對(duì)應(yīng)點(diǎn)Pli的切線方向303，得到雙自由曲面透鏡內(nèi)表面或外表面的第二條種線L2上P2i的坐標(biāo)以及切平面 303 ;通過入射光線I的方向與第二條種線L2對(duì)應(yīng)點(diǎn)P2i的切線方向，得到雙自由曲面透鏡內(nèi)或外表面的第三條種線L3上P3i的坐標(biāo)以及切平面303 ;依次類推，得到所有的雙自由曲面透鏡內(nèi)、外表面的種線。然后將得到的雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面的種線上的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到一條條的自由曲線，然后將所有的自由曲線縫合成自由曲面，得到四分之一的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡，然后通過兩次軸對(duì)稱得到整個(gè)雙自由曲面透鏡。所述的雙自由曲面透鏡的材質(zhì)是PC (聚碳酸酯)或PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)或 PP(聚甲基丙烯酸甲酯)或ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)或PVC(聚氯乙烯)或玻璃材質(zhì)。所述的雙自由曲面透鏡外表面下部設(shè)置有與基板或支架的卡槽配合的安裝腳。所述的雙自由曲面透鏡可以通過開模注塑或精密加工等其它加工方式實(shí)現(xiàn)。所述的雙自由曲面透鏡為單顆或陣列形式，安裝時(shí)自由曲面透鏡與光源對(duì)應(yīng)關(guān)系為一對(duì)一或一對(duì)多或多對(duì)一關(guān)系。所述的雙自由曲面透鏡適用于支架式、板上芯片、陣列式、系統(tǒng)封裝、印刷電路板封裝和硅基封裝等LED封裝形式。下面通過借助實(shí)施例更加詳細(xì)地說明本發(fā)明，但以下實(shí)施例僅是說明性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。實(shí)例I參見圖5(1)，本實(shí)施例中涉及的是一種內(nèi)表面為圓柱形、外表面為自由曲面的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱雙自由曲面透鏡。本實(shí)施例中雙自由曲面透鏡的材質(zhì)是PC (聚碳酸酯)，內(nèi)表面高度為I毫米，外表面高度是4毫米，給定的內(nèi)表面的函數(shù)關(guān)系是I = x2+y2 (0 < z < 1)，即為高度為I毫米，半徑為I毫米的圓柱，其中，(x，y，z)表示雙自由曲面透鏡內(nèi)表面上的點(diǎn)在 X-Y-Z三維空間中的坐標(biāo)。參見圖2(1)，目標(biāo)面是半徑為100毫米的圓面，按照?qǐng)D2(1)劃分，N取200，M取300，光源到目標(biāo)面的距離是50毫米。參見圖5 (2)，為本實(shí)施例中的雙自由曲面透鏡在目標(biāo)面上的照度分布圖。實(shí)例2參見圖6(1)，本實(shí)施例中涉及的是一種外表面為圓柱形、內(nèi)表面為自由曲面的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱雙自由曲面透鏡。本實(shí)施例中雙自由曲面透鏡的材質(zhì)是PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，內(nèi)表面高度為2毫米，外表面高度是4毫米，給定的外表面的函數(shù)關(guān)系是4 = x2+y2 (0 ( z ( 4)，即為高度為4毫米，半徑為2毫米的圓柱，其中，(x，y，z)表示雙自由曲面透鏡外表面上的點(diǎn)在X-Y-Z三維空間中的坐標(biāo)。參見圖2(1)，目標(biāo)面是半徑為200毫米的圓面，按照?qǐng)D2(1)劃分，N取500，M取800，光源到目標(biāo)面的距離是100毫米。參見圖 6 (2)，為本實(shí)施例中的雙自由曲面透鏡在目標(biāo)面上的照度分布圖。實(shí)例3參見圖7(1)，本實(shí)施例中涉及的是一種內(nèi)表面為半球形、外表面為自由曲面的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱雙自由曲面透鏡。本實(shí)施例中雙自由曲面透鏡的材質(zhì)是PP (聚甲基丙烯酸甲酯)，內(nèi)表面高度為I毫米，外表面高度是3毫米，給定的內(nèi)表面的函數(shù)關(guān)系是z = (l-x2-y2)°_5，即為半徑為I毫米的半球面，其中，(x,y,z)表示雙自由曲面透鏡內(nèi)表面上的點(diǎn)在X-Y-Z三維空間中的坐標(biāo)。參見圖2(1)，目標(biāo)面是半徑為100毫米的圓面，按照?qǐng)D2(1)劃分，N取500， M取500，光源到目標(biāo)面的距離是50毫米。參見圖7 (2)，為本實(shí)施例中的雙自由曲面透鏡在目標(biāo)面上的照度分布圖。實(shí)例4參見圖8(1)，本實(shí)施例中涉及的是一種內(nèi)表面和外表面均為自由曲面的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱雙自由曲面透鏡。本實(shí)施例中雙自由曲面透鏡的材質(zhì)是ABS (丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)，內(nèi)表面高度為4毫米，外表面高度是7毫米，給定的兩個(gè)光線偏折比例是I : I。參見圖2(1)，目標(biāo)面是半徑為1000毫米的圓面，按照?qǐng)D2(1)劃分，N取500，M取800，光源到目標(biāo)面的距離是500毫米。參見圖8 (2)，為本實(shí)施例中的雙自由曲面透鏡在目標(biāo)面上的照度分布圖。實(shí)例5參見圖9(1)、圖9(2)、圖9(3)，本實(shí)施例中涉及的是一種用于道路照明的內(nèi)表面為半球形、外表面為自由曲面的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡。本實(shí)施例中雙自由曲面透鏡的材質(zhì)是PVC (聚氯乙烯)，內(nèi)表面高度為2毫米，外表面高度是5毫米，給定的內(nèi)表面的函數(shù)關(guān)系是z = (22-x2-y2) 5，即為半徑為2毫米的半球面，其中，(x，y，z)表示雙自由曲面透鏡內(nèi)表面上的點(diǎn)在X-Y-Z三維空間中的坐標(biāo)。參見圖2 (2)，目標(biāo)面是長(zhǎng)1000毫米，寬500 毫米的矩形，按照?qǐng)D2(2)劃分，N取500，M取500，光源到目標(biāo)面的距離是500毫米。實(shí)例 5的照明效果也滿足照明要求。以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于按照能量等分原理，以光源0位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，將光源的三維空間按經(jīng)緯線劃分成經(jīng)線和緯線相交的網(wǎng)格圖，使每個(gè)網(wǎng)格的光通量相等；將目標(biāo)面劃分成等面積的格子區(qū)域，每個(gè)格子區(qū)域的光通量相等；待設(shè)計(jì)的雙自由曲面透鏡的目標(biāo)面為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，通過給定的雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的函數(shù)關(guān)系，通過從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向，根據(jù)雙自由曲面透鏡內(nèi)表面函數(shù)關(guān)系，根據(jù)斯涅爾定律得到光線通過雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的折射光線的方向，然后結(jié)合最終的出射光線的方向，根據(jù)斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡外表面的法向和切向方向，進(jìn)而得到雙自由曲面透鏡外表面上點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后將得到的雙自由曲面透鏡的外表面的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，結(jié)合給定的雙自由曲面透鏡內(nèi)表面，得到雙自由曲面透鏡的橫截面，將橫截面繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡。
2.一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于按照能量等分原理，以光源0位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，將光源的三維空間按經(jīng)緯線劃分成經(jīng)線和緯線相交的網(wǎng)格圖，使每個(gè)網(wǎng)格的光通量相等；將目標(biāo)面劃分成等面積的格子區(qū)域，每個(gè)格子區(qū)域的光通量相等；待設(shè)計(jì)的雙自由曲面透鏡的目標(biāo)面為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，通過給定的雙自由曲面透鏡外表面的函數(shù)關(guān)系，通過結(jié)合從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向，以及光線在雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面的折射關(guān)系以及最終的出射光線的方向，根據(jù)斯涅爾定律求解出光線通過雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面上點(diǎn)的坐標(biāo)，然后將得到的雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，結(jié)合給定的雙自由曲面透鏡外表面，得到雙自由曲面透鏡的橫截面，將橫截面繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡。
3.一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于按照能量等分原理，以光源0位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，將光源的三維空間按經(jīng)緯線劃分成經(jīng)線和緯線相交的網(wǎng)格圖，使每個(gè)網(wǎng)格的光通量相等；將目標(biāo)面劃分成等面積的格子區(qū)域，每個(gè)格子區(qū)域的光通量相等；待設(shè)計(jì)的雙自由曲面透鏡的目標(biāo)面為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，通過從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向以及最終的出射光線的方向，得到光線經(jīng)過雙自由曲面透鏡的內(nèi)、 外表面后的光線偏折角度，然后按照預(yù)先設(shè)定的分配比例，將總的光線偏折角度分成第一次光線偏折角度和第二次光線偏折角度，第一次光線偏折角度是指發(fā)生在光線經(jīng)過雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面時(shí)的入射光線與折射光線的夾角，第二次光線偏折角度發(fā)生在光線經(jīng)過雙自由曲面透鏡的外表面時(shí)的入射光線與折射光線的夾角；結(jié)合入射光線的方向與第一次光線偏折角度，根據(jù)斯涅爾定律得到光線在雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面的出射方向，進(jìn)而得到雙自由曲面透鏡內(nèi)表面上點(diǎn)的坐標(biāo)；從雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面的折射光線即為雙自由曲面透鏡的外表面的入射光線，然后結(jié)合最終的出射光線的方向，根據(jù)斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡外表面上點(diǎn)的坐標(biāo)；然后將得到的雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到雙自由曲面透鏡的橫截面，將橫截面繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)，得到旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡。
4.一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于按照能量等分原理，以光源0位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，將光源的三維空間按經(jīng)緯線劃分成經(jīng)線和緯線相交的網(wǎng)格圖，使每個(gè)網(wǎng)格的光通量相等；將目標(biāo)面劃分成等面積的格子區(qū)域，每個(gè)格子區(qū)域的光通量相等；待設(shè)計(jì)的雙自由曲面透鏡的目標(biāo)面為非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，通過給定的雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的函數(shù)關(guān)系，通過從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向，根據(jù)雙自由曲面透鏡內(nèi)表面函數(shù)關(guān)系，根據(jù)斯涅爾定律得到光線通過雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的折射光線的方向，然后結(jié)合最終的出射光線的方向，根據(jù)斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡外表面的法向和切向方向，進(jìn)而得到雙自由曲面透鏡外表面上的點(diǎn)的坐標(biāo)；將得到的雙自由曲面透鏡外表面曲線作為雙自由曲面透鏡的第一條種線，通過入射光線的方向與前一條種線上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的切平面，得到雙自由曲面透鏡的下一條種線上點(diǎn)的坐標(biāo)；得到所有的種線后，將得到的雙自由曲面透鏡的外表面的種線上的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到一條條的自由曲線，然后將所有的自由曲線縫合成自由曲面，結(jié)合給定的雙自由曲面透鏡內(nèi)表面，得到非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡。
5.一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于按照能量等分原理，以光源0位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，將光源的三維空間按經(jīng)緯線劃分成經(jīng)線和緯線相交的網(wǎng)格圖，使每個(gè)網(wǎng)格的光通量相等；將目標(biāo)面劃分成等面積的格子區(qū)域，每個(gè)格子區(qū)域的光通量相等；待設(shè)計(jì)的雙自由曲面透鏡的目標(biāo)面為非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，通過給定的雙自由曲面透鏡外表面的函數(shù)關(guān)系，通過結(jié)合從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向，以及光線在雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面的折射關(guān)系以及最終的出射光線的方向，根據(jù)斯涅爾定律求解出光線通過雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面上點(diǎn)的坐標(biāo)，然后將得到的內(nèi)表面的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到雙自由曲面透鏡的第一條種線；通過入射光線的方向與前一條種線對(duì)應(yīng)點(diǎn)的切平面，得到雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的下一條種線上的點(diǎn)的坐標(biāo)；得到所有的雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的種線上的點(diǎn)的坐標(biāo)后，將每條種線上的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到一條條的自由曲線，然后將所有的自由曲線縫合成自由曲面，結(jié)合給定的雙自由曲面透鏡外表面，得到非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡。
6.一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于按照能量等分原理，以光源0位于坐標(biāo)原點(diǎn)處，將光源的三維空間按經(jīng)緯線劃分成經(jīng)線和緯線相交的網(wǎng)格圖，使每個(gè)網(wǎng)格的光通量相等；將目標(biāo)面劃分成等面積的格子區(qū)域，每個(gè)格子區(qū)域的光通量相等；待設(shè)計(jì)的雙自由曲面透鏡的目標(biāo)面為非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí)，通過從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向以及最終的出射光線的方向，得到光線經(jīng)過雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面后的光線偏折角度，然后預(yù)先設(shè)定的分配比例，將總的光線偏折角度分成第一次光線偏折角度和第二次光線偏折角度，第一次光線偏折角度是指發(fā)生在光線經(jīng)過雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面時(shí)的入射光線與折射光線的夾角，第二次光線偏折角度發(fā)生在光線經(jīng)過雙自由曲面透鏡的外表面時(shí)的入射光線與折射光線的夾角；結(jié)合透鏡的入射光線的方向與第一次光線偏折角度，得到光線在雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面的出射方向，進(jìn)而根據(jù)斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡內(nèi)表面的點(diǎn)的坐標(biāo)；從雙自由曲面透鏡的內(nèi)表面的折射光線即為雙自由曲面透鏡的外表面的入射光線，然后結(jié)合最終的出射光線的方向，根據(jù)斯涅爾定律得到雙自由曲面透鏡外表面的點(diǎn)的坐標(biāo)；將得到的雙自由曲面透鏡內(nèi)、外表面曲線上的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到雙自由曲面透鏡內(nèi)、外表面的第一條種線；通過入射光線的方向與前一條種線對(duì)應(yīng)點(diǎn)的切平面，得到雙自由曲面透鏡內(nèi)、外表面的下一條種線上點(diǎn)的坐標(biāo)； 得到所有的雙自由曲面透鏡內(nèi)、外表面的種線上的點(diǎn)的坐標(biāo)后，將種線上的點(diǎn)用光滑的曲線連接起來，得到一條條的自由曲線，然后將所有的自由曲線縫合成自由曲面，得到非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的雙自由曲面透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一所述的一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，其特征在于，采用所述方法設(shè)計(jì)的雙自由曲面透鏡的尺寸由雙自由曲面透鏡內(nèi)、外表面的起始高度決定。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一所述的一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，內(nèi)表面為自由曲面，透鏡的外表面為自由曲面，內(nèi)表面凹向外表面，透鏡內(nèi)表面為透鏡的光線入射面，透鏡外表面為透鏡的光學(xué)出射面。
9.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一所述的一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，給定的表面形狀是半球形、橢球形、長(zhǎng)方體形、棱臺(tái)形、圓臺(tái)形或圓柱形。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一所述的一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，自由曲面透鏡的材料是聚碳酸酯PC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚丙烯PP、丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物ABS、聚氯乙烯PVC或玻璃材質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光型可控的雙自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，該方法按照能量等分原理，以光源為坐標(biāo)原點(diǎn)，將光源的三維空間按經(jīng)緯線劃分成經(jīng)線和緯線相交的光通量相等的網(wǎng)格圖；將目標(biāo)面劃分成等面積的光通量相等的格子區(qū)域；并根據(jù)待設(shè)計(jì)的雙自由曲面透鏡的目標(biāo)面的對(duì)稱性及給定的內(nèi)、外表面的函數(shù)關(guān)系或者通過從光源和目標(biāo)面的劃分得到的透鏡的入射光線的方向以及最終的出射光線的方向分配光線在雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面兩次偏折角度，進(jìn)行設(shè)計(jì)。雙自由曲面透鏡的內(nèi)、外表面可以設(shè)計(jì)成適應(yīng)不同封裝需要的不同的形狀，經(jīng)過內(nèi)、外表面能夠?qū)崿F(xiàn)光束控制，滿足各種不同照明要求，實(shí)現(xiàn)多種不同的照明效果。
文檔編號(hào)F21Y101/02GK102537842SQ20121001368
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者劉勝, 王愷, 甘志強(qiáng), 羅小兵, 胡潤(rùn) 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)