一种用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法.pdf

本发明公开了一种用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法。它包括折射面S1，反射面S2，圆柱面S3，出射面S4，折射面S1和反射面S2通过圆柱面S3相连，出射面S4即为反射面S2较大的圆形出口，将计算获得的折射面S1、反射面S2、圆柱面S3和出射面S4数据输入3D建模软件建立模型，将该模型导入五轴机床即可加工成型。光源发出的光线经过折射面S1的折射和反射面S2的全内反射，以平行光的形式从出射面S4出射；该透镜为全内反射型结构，并且关于z坐标轴旋转对称，光线收集半角为90°。本发明制作过程简单，结构紧凑易加工，准直效果好，能量利用率高。

权利要求书一种用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：设计出用于点光源准直的自由曲面透镜初始结构，该自由曲面透镜的折射面（S1）的面型由如下公式确定：

反射面（S2）的面型由如下公式确定：

其中，z为光线传播正方向z轴的坐标，ω为入射光线经折射面（S1）折射或反射面（S2）反射后对应光线与z轴的夹角，平行光即ω = 0，h为光源离折射面（S1）顶点的距离，d为折射面顶点与坐标原点之间的距离，R1为透镜下端面的半口径，n为透镜折射率，θ为入射光线与z轴的夹角，对于折射面公式，θ的取值范围是[ 0, )；对于反射面公式，θ的取值范围是[，π/2]，其中是折射面所能收集光线的最大角度；
步骤二：模型参数化，首先，折射面曲线AB上的待优化数据点由如下等式确定：

其中，和N1分别为折射面曲线AB上的待优化数据点及其数量，反射面曲线CD上的待优化数据点可由如下等式确定：

其中，和N2分为反射面曲线CD上待优化数据点及其数量，在每轮优化迭代中，各待优化数据点的坐标可由以下两式重新计算得到


其中，为点的坐标，为点的坐标，为光源距离的距离，为入射光线与圆柱面曲线BC交点离的距离，和分别为对应于和点的入射光线与z轴的夹角，根据该组数据点解出对应的控制点及节点向量，然后根据控制点及节点向量构建出折射面（S1）和反射面（S2）的轮廓曲线，将该轮廓曲线在旋转360°即得到重构的模型；
步骤三：建立评价函数，评价函数MF由如下公式确定：

其中，为从透镜出射的各光线与z轴正方向的夹角，为从透镜出射的所有光线与z轴正方向的夹角的均方差，M为采样光线的数量，然后选取光强呈朗伯体分布的1mm×1mm的面光源导入光学软件Tracepro进行优化，使评价函数MF收敛；
步骤四：折射面（S1）和反射面（S2）通过圆柱面（S3）相连，出射面（S4）即为反射面（S2）较大的圆形出口，将折射面（S1）、反射面（S2）、圆柱面（S3）和出射面（S4）数据输入3D建模软件建立模型，将该模型导入五轴机床即可加工成型；光源发出的光线经过折射面（S1）的折射和反射面（S2）的全内反射，以平行光的形式从出射面（S4）出射；该透镜为全内反射型结构，并且关于z坐标轴旋转对称，光线收集半角为90°。

说明书一种用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法
技术领域
本发明涉及光学器件领域，尤其是涉及一种用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法。
背景技术
相对于传统光源，LED具有寿命长、功耗低、结构紧凑、设计灵活等优点，随着近年来LED光效的节节攀升，其应用也越来越广泛。一般地，LED的出射光强呈近朗伯分布，在很多应用中需要将LED光线进行准直（如内窥镜照明等），因此需借助二次光学设计来重新分配LED出光。相比较球面，自由曲面以其更高的设计自由度已成为LED二次光学设计的首选。实现LED准直照明的自由曲面设计主要采用偏微分程的方法。对于准直照明来说，偏微分程方法通常是采用理想点光源，根据入射光线、出射光线及对应的曲面法矢三者之间的关系构建出曲面所满足的一组常微分方程，并借助数值求解及三维建模构建曲面。为了获得更高的能量利用率及较小的透镜出光角度，用于LED准直的透镜通常需要采用全内反射（TIR）结构，并由偏微分程方法分别求解折射曲面及全反射曲面。由于LED具有一定的尺寸，且相比较紧凑的曲面结构LED通常不能视为点光源，在实际应用时容易出现准直效果不好，扩散角相对较大等问题。为了解决这个问题，设计者通常会用增大透镜口径的方法以获取更好的准直效果，但是这一体积的增大无疑限制了其在很多场合的应用（如内窥镜照明等）。
另外，现有技术中的LED准直透镜还存在着结构复杂、实现成本高的缺点。中国专利200510092271.5提出了一种用于LED准直的漏斗状类型的内反射准直透镜，发明人设计了多个面去实现准直的功能，步骤繁琐，结构复杂，难以加工。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种更贴近实际应用的用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法。
本发明为了解决其技术问题采用的方案如下：
用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法包括如下步骤：
步骤一：设计出用于点光源准直的自由曲面透镜初始结构，该自由曲面透镜折射面的面型由如下公式确定：

反射面的面型由如下公式确定：

其中，z为光线传播正方向z轴的坐标，ω为入射光线经折射面折射或反射面反射后对应光线与z轴的夹角，平行光即ω = 0，h为光源离折射面顶点的距离，d为折射面顶点与坐标原点之间的距离，R1为透镜下端面的半口径，n为透镜折射率，θ为入射光线与z轴的夹角，对于折射面公式，θ的取值范围是[ 0, )；对于反射面公式，θ的取值范围是[，π/2]，其中是折射面所能收集光线的最大角度；
步骤二：模型参数化，首先，折射面曲线AB上的待优化数据点由如下等式确定：

其中，和N1分别为折射面曲线AB上的待优化数据点及其数量，反射面曲线CD上的待优化数据点可由如下等式确定：

其中，和N2分为反射面曲线CD上待优化数据点及其数量，在每轮优化迭代中，各待优化数据点的坐标可由以下两式重新计算得到


其中，为点的坐标，为点的坐标，为光源距离的距离，为入射光线与圆柱面曲线BC交点离的距离，和分别为对应于和点的入射光线与z轴的夹角，根据该组数据点解出对应的控制点及节点向量，然后根据控制点及节点向量构建出折射面和反射面的轮廓曲线，将该轮廓曲线在旋转360°即得到重构的模型；
步骤三：建立评价函数，评价函数MF由如下公式确定：

其中，为从透镜出射的各光线与z轴正方向的夹角，为从透镜出射的所有光线与z轴正方向的夹角的均方差，M为采样光线的数量，然后选取光强呈朗伯体分布的1mm×1mm的面光源导入光学软件Tracepro进行优化，使评价函数MF收敛；
步骤四：折射面和反射面通过圆柱面相连，出射面即为反射面较大的圆形出口，将折射面、反射面、圆柱面和出射面数据输入3D建模软件建立模型，将该模型导入五轴机床即可加工成型；光源发出的光线经过折射面的折射和反射面的全内反射，以平行光的形式从出射面出射；该透镜为全内反射型结构，并且关于z坐标轴旋转对称，光线收集半角为90°。
本发明与现有技术相比，具有准直性好、结构紧凑、尺寸相对较小、设计方法简单实用的特点，特别适用于LED扩展光源的准直。
附图说明
图1(a)为用于LED准直的自由曲面透镜的俯视图；
图1(b)为用于LED准直的自由曲面透镜的透视图；
图1(c)为用于LED准直的自由曲面透镜的前视图；
图1(d)为用于LED准直的自由曲面透镜的侧视图；
图2(a)为用于LED准直的自由曲面透镜轮廓中折射曲面上光线关系的示意图；
图2(b)为用于LED准直的自由曲面透镜轮廓中反射曲面上光线关系的示意图；
图3为用于LED准直的自由曲面透镜轮廓曲线上待优化数据点选取方法的示意图；
图4为用于LED准直的自由曲面透镜实施例中出射光角度分布的示意图。
具体实施方式
如图1‑3所示，用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法包括如下步骤：
步骤一：设计出用于点光源准直的自由曲面透镜初始结构，该自由曲面透镜的折射面S1的面型由如下公式确定：

反射面S2的面型由如下公式确定：

其中，z为光线传播正方向z轴的坐标，ω为入射光线经折射面S1折射或反射面S2反射后对应光线与z轴的夹角，平行光即ω = 0，h为光源离折射面S1顶点的距离，d为折射面顶点与坐标原点之间的距离，R1为透镜下端面的半口径，n为透镜折射率，θ为入射光线与z轴的夹角，对于折射面公式，θ的取值范围是[ 0, )；对于反射面公式，θ的取值范围是[，π/2]，其中是折射面所能收集光线的最大角度；
步骤二：模型参数化，首先，折射面曲线AB上的待优化数据点由如下等式确定：

其中，和N1分别为折射面曲线AB上的待优化数据点及其数量，反射面曲线CD上的待优化数据点可由如下等式确定：

其中，和N2分为反射面曲线CD上待优化数据点及其数量，在每轮优化迭代中，各待优化数据点的坐标可由以下两式重新计算得到


其中，为点的坐标，为点的坐标，为光源距离的距离，为入射光线与圆柱面曲线BC交点离的距离，和分别为对应于和点的入射光线与z轴的夹角，根据该组数据点解出对应的控制点及节点向量，然后根据控制点及节点向量构建出折射面S1和反射面S2的轮廓曲线，将该轮廓曲线在旋转360°即得到重构的模型；
步骤三：建立评价函数，评价函数MF由如下公式确定：

其中，为从透镜出射的各光线与z轴正方向的夹角，为从透镜出射的所有光线与z轴正方向的夹角的均方差，M为采样光线的数量，然后选取光强呈朗伯体分布的1mm×1mm的面光源导入光学软件Tracepro进行优化，使评价函数MF收敛；
步骤四：折射面S1和反射面S2通过圆柱面S3相连，出射面S4即为反射面S2较大的圆形出口，将折射面S1、反射面S2、圆柱面S3和出射面S4数据输入3D建模软件建立模型，将该模型导入五轴机床即可加工成型；光源发出的光线经过折射面S1的折射和反射面S2的全内反射，以平行光的形式从出射面S4出射；该透镜为全内反射型结构，并且关于z坐标轴旋转对称，光线收集半角为90°。
实施例
用于LED准直的自由曲面透镜的制作方法包括如下步骤：
步骤一：设计出用于点光源准直的自由曲面透镜初始结构。图2(a)为用于LED准直的自由曲面透镜轮廓中折射曲面上光线关系的示意图，图2(b)为用于LED准直的自由曲面透镜轮廓中反射曲面上光线关系的示意图。参照图2，选取透镜初始的设计参数如表1所示。
表1 本发明实施例中透镜设计的初始参数
hdθωn6mm5mm[0,π/2]30°01.4935
将表1中的参数代入如下公式可确定自由曲面透镜的折射面S1：

将表1中的参数代入如下公式可确定自由曲面透镜的反射面S2：

其中，z为光线传播方向z轴的坐标，ω为入射光线经折射面S1折射或反射面S2反射后对应光线与z轴的夹角（平行光即ω = 0），h为光源离折射面S1顶点的距离，d为折射面顶点与坐标原点之间的距离，R1为透镜下端面的半口径，透镜材料采用Pmma塑料, 折射率n为1.4935。θ为入射光线与z轴的夹角，对于折射面公式，θ的取值范围是[ 0, )，对于反射面公式θ的取值范围是[，π/2]，其中是折射面所能收集光线的最大角度。
步骤二：将步骤一得到的初始结构模型参数化。首先，折射面曲线AB上的待优化数据点可由如下等式确定：

其中，和N1分别为折射面曲线AB上的待优化数据点及其数量。反射面曲线CD上的待优化数据点可由如下等式确定：

其中，和N2分为反射面曲线CD上待优化数据点及其数量。自由曲面轮廓上的待优化数据点数量过多会降低优化效率，过少会降低模型重构的精确度，这里令N1 = 4，N2 = 5。根据各离散优化数据点，利用插值运算即可求得各离散点对应的LED出光角度和，并选择各点对应的和作为优化变量。在每轮优化迭代中，各待优化数据点的坐标可由以下两式重新计算得到


其中，为点的坐标，为点的坐标，为光源距离的距离，为入射光线与圆柱面曲线BC交点离的距离，和分别为对应于和点的入射光线与z轴的夹角。根据该组数据点解出对应的控制点及节点向量，然后根据控制点及节点向量构建出折射面S1和反射面S2的轮廓曲线。将该轮廓曲线在旋转360°即可得到重构的模型。
步骤三：建立如下公式确定的评价函数MF：

其中，为从出射面S4出射的各光线与z轴正方向的夹角，为从出射面S4出射的所有光线与z轴正方向的夹角的平均值，M为采样点的数量。
步骤四：目前，市场上最常见的LED芯片大小为，因此，在光学软件中建立且光强成朗伯体分布的面光源，联合以上三个步骤进行反复的光线追迹和优化，使MF收敛持续收敛至极小值0.013842后优化自动停止，可得到满足设计要求的自由曲面透镜，参照附图1和附图2，其结构参数如表2所示。
表2 本发明实施例的结构参数
hHR1R26mm16.2mm5mm15.5mm
其中，H是自由曲面透镜的高度，R2是自由曲面透镜出射面的半径。将该自由曲面准直透镜导入光学软件Tracepro，采用100万条光线进行追迹，参照图4，该透镜可以将大小LED芯片发出光线能量的99%都集中在与z轴的夹角内。这一结果说明本发明在保证了透镜结构紧凑的情况下，取得了极好的准直效果，大大优于现有技术。利用3D建模软件建立该自由曲面透镜的模型，将该模型输入五轴加工机床，即可得到该透镜。
以上所述仅为本发明的较佳实例结果，并不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，作出任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护范围之内。