技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及LED照明的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種LED均勻準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)。

技術(shù)背景

LED作為一種新型光源，由于其高光效，壽命長，無毒害等優(yōu)點(diǎn)使其在成為白熾燈、熒光燈等傳統(tǒng)的光源的完美替代者。但由于LED的光強(qiáng)分布為圓形的朗伯型分布，如果直接應(yīng)用于照明，則會(huì)在目標(biāo)面上形成極為不均勻的照度分布，無法滿足各種照明場合對燈具光學(xué)性能的要求。為了使LED更好的應(yīng)用于照明領(lǐng)域，需要設(shè)計(jì)二次光學(xué)系統(tǒng)重新分配LED的光強(qiáng)分布，使得其在目標(biāo)面能夠形成均勻或者其它特定的照度分布。

在光通信、光電成像等照明應(yīng)用場合，不僅需要均勻照明，還需要光線為準(zhǔn)直光。為此，至少需要兩個(gè)光學(xué)表面控制LED光線的方向，其中第一個(gè)曲面形成均勻分布，第二個(gè)曲面改變光線方向使之準(zhǔn)直。中國發(fā)明專利申請說明書CN103148443A提出了一種用于獲得均勻平行光束的雙自由曲面厚透鏡及其陣列的設(shè)計(jì)方法。該厚透鏡包括兩個(gè)自由曲面，可以獲得針對LED光源的均勻準(zhǔn)直光線。然而由于在不同折射率介質(zhì)之間存在全反射現(xiàn)象，因此這種透鏡并不能收集LED的全部光線，因此會(huì)造成透鏡的光效不夠高，影響整個(gè)系統(tǒng)的傳播距離。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對光通信、光電成像等需要準(zhǔn)直照明的場合，設(shè)計(jì)一種實(shí)現(xiàn)圓形光斑均勻準(zhǔn)直照明的LED均勻準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，這種光學(xué)系統(tǒng)可以收集LED的全部光線，具有較高的光效。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的LED均勻準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)，包括共軸設(shè)置的第一自由曲面透鏡和第二自由曲面透鏡，所述第一自由曲面透鏡和第二自由曲面透鏡間距為0.01m-0.1m；

所述第一自由曲面透鏡包括第一曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線折射，使折射后的光線平行于z軸；第二曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于將LED發(fā)出的光線折射，使折射后的光線成為與x軸上點(diǎn)光源發(fā)出的光線重合；第三曲面，為旋轉(zhuǎn)對拋物面，拋物面的焦點(diǎn)為第二曲面折射光線的虛擬光源點(diǎn)；第五曲面，為旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，用于控制經(jīng)過第一曲面、第二曲面和第三曲面之后平行于z軸的光線，使得這束平行于z軸的光線在經(jīng)過第五曲面后在空間中任一個(gè)與z軸垂直的圓平面上形成均勻的照度分布；以及第四曲面，為圓柱面，用于連接第三曲面和第五曲面；

所述第二自由曲面透鏡，由三個(gè)曲面組成，其中第一曲面為自由曲面，控制第二自由曲面透鏡發(fā)出的光束的方向，第二曲面和第三曲面分別為透鏡的連接曲面和光線出射面。

進(jìn)一步地，所述第一曲面和第二曲面上點(diǎn)的坐標(biāo)由下式計(jì)算得出：設(shè)定第一自由曲面的初始點(diǎn)，通過下式迭代得到其輪廓線：

xi=zi-1+xi-1kcotθi+kzi=xicotθi---(1)]]>

其中(x_i,z_i)為當(dāng)前迭代需要計(jì)算的點(diǎn)的坐標(biāo)，(x_i-1,z_i-1)為前一點(diǎn)的坐標(biāo)，(N_x,N_z)為前一點(diǎn)的法向量坐標(biāo)，得到輪廓曲線之后，以z軸為對稱軸旋轉(zhuǎn)360°即可得到整個(gè)曲面。