CN102537842A

CN102537842A - 一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法

Info

Publication number: CN102537842A
Application number: CN2012100136869A
Authority: CN
Inventors: 罗小兵; 胡润; 王恺; 甘志强; 刘胜
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: CN102537842B

Abstract

本发明公开了一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法，该方法按照能量等分原理，以光源为坐标原点，将光源的三维空间按经纬线划分成经线和纬线相交的光通量相等的网格图；将目标面划分成等面积的光通量相等的格子区域；并根据待设计的双自由曲面透镜的目标面的对称性及给定的内、外表面的函数关系或者通过从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向以及最终的出射光线的方向分配光线在双自由曲面透镜的内、外表面两次偏折角度，进行设计。双自由曲面透镜的内、外表面可以设计成适应不同封装需要的不同的形状，经过内、外表面能够实现光束控制，满足各种不同照明要求，实现多种不同的照明效果。

Description

一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法

技术领域

本发明属于LED封装技术，涉及LED封装中的一种光束可控的双自由曲面透镜设计方法，特别应用于LED封装中实现光束控制、满足不同照明需求的应用。

背景技术

LED(Light Emitting Diode)是一种基于P-N结电致发光原理制成的半导体发光器件，具有电光转换效率高、使用寿命长、环保节能、体积小等优点，被誉为21世纪绿色照明光源，如能应用于传统照明领域将得到十分显著的节能效果，这在全球能源日趋紧张的当今意义重大。随着以氮化物为代表的第三代半导体材料技术的突破，基于大功率高亮度发光二极管(LED)的半导体照明产业在全球迅速兴起，正成为半导体光电子产业新的经济增长点，并在传统照明领域引发了一场革命。LED由于其独特的优越性，已经开始在许多领域得到广泛应用，被业界认为是未来照明技术的主要发展方向，具有巨大的市场潜力。

一般的，直接采用大功率白光LED得到的照明效果是不均匀的圆形光斑，无法满足照明要求，因此，需要采用光学元件来对照明效果进行控制。目前最广泛采用的是元件是一次透镜或二次透镜。但是传统的透镜设计方法是仅仅设计透镜外表面，而把透镜内表面假设为半球形，以使透镜设计简单方便。从LED发出的光达到照射面会依次经过透镜内、外表面，发生两次折射，传统设计方法中直接把透镜内表面假设为半球形，会失去一个重要的透镜设计自由度，并且透镜形状不能根据应用进行随意调整。因此，发展一种同时设计透镜内、外表面、并且满足不同照明要求的设计方法尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光型可控的双自由曲面透镜的设计方法，该方法能够同时设计透镜内、外表面、并且满足不同照明要求。

本发明提供的一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于：

按照能量等分原理，以光源O位于坐标原点处，将光源的三维空间按经纬线划分成经线和纬线相交的网格图，使每个网格的光通量相等；将目标面划分成等面积的格子区域，每个格子区域的光通量相等；

根据待设计的双自由曲面透镜的目标面的对称性选择方式A或方式B进行设计：

方式A：待设计的双自由曲面透镜的目标面为旋转对称时，根据给定的条件，选择对应的设计方式为：

A1：通过给定的双自由曲面透镜内表面的函数关系，通过从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向，根据双自由曲面透镜内表面函数关系，根据斯涅尔定律得到光线通过双自由曲面透镜内表面的折射光线的方向，然后结合最终的出射光线的方向，根据斯涅尔定律得到双自由曲面透镜外表面的法向和切向方向，进而得到双自由曲面透镜外表面上点的坐标值，然后将得到的双自由曲面透镜的外表面的点用光滑的曲线连接起来，结合给定的双自由曲面透镜内表面，得到双自由曲面透镜的横截面，将横截面绕对称轴旋转，得到旋转对称的双自由曲面透镜；

A2：通过给定的双自由曲面透镜外表面的函数关系，通过结合从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向，以及光线在双自由曲面透镜的内、外表面的折射关系以及最终的出射光线的方向，根据斯涅尔定律求解出光线通过双自由曲面透镜的内表面上点的坐标，然后将得到的双自由曲面透镜的内表面的点用光滑的曲线连接起来，结合给定的双自由曲面透镜外表面，得到双自由曲面透镜的横截面，将横截面绕对称轴旋转，得到旋转对称的双自由曲面透镜；

A3：通过从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向以及最终的出射光线的方向，得到光线经过双自由曲面透镜的内、外表面后的光线偏折角度，然后按照预先设定的分配比例，将总的光线偏折角度分成第一次光线偏折角度和第二次光线偏折角度，第一次光线偏折角度是指发生在光线经过双自由曲面透镜的内表面时的入射光线与折射光线的夹角，第二次光线偏折角度发生在光线经过双自由曲面透镜的外表面时的入射光线与折射光线的夹角；结合入射光线的方向与第一次光线偏折角度，根据斯涅尔定律得到光线在双自由曲面透镜的内表面的出射方向，进而得到双自由曲面透镜内表面上点的坐标；从双自由曲面透镜的内表面的折射光线即为双自由曲面透镜的外表面的入射光线，然后结合最终的出射光线的方向，根据斯涅尔定律得到双自由曲面透镜外表面上点的坐标；然后将得到的双自由曲面透镜的内、外表面的点用光滑的曲线连接起来，得到双自由曲面透镜的横截面，将横截面绕对称轴旋转，得到旋转对称的双自由曲面透镜；

方式B：待设计的双自由曲面透镜的目标面为非旋转对称时，根据给定的条件，选择对应的设计方式为：

B1：通过给定的双自由曲面透镜内表面的函数关系，通过从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向，根据双自由曲面透镜内表面函数关系，根据斯涅尔定律得到光线通过双自由曲面透镜内表面的折射光线的方向，然后结合最终的出射光线的方向，根据斯涅尔定律得到双自由曲面透镜外表面的法向和切向方向，进而得到双自由曲面透镜外表面上的点的坐标；将得到的双自由曲面透镜外表面曲线作为双自由曲面透镜的第一条种线，通过入射光线的方向与前一条种线上对应点的切平面，得到双自由曲面透镜的下一条种线上点的坐标；得到所有的种线后，将得到的双自由曲面透镜的外表面的种线上的点用光滑的曲线连接起来，得到一条条的自由曲线，然后将所有的自由曲线缝合成自由曲面，结合给定的双自由曲面透镜内表面，得到非旋转对称的双自由曲面透镜；

B2：通过给定的双自由曲面透镜外表面的函数关系，通过结合从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向，以及光线在双自由曲面透镜的内、外表面的折射关系以及最终的出射光线的方向，根据斯涅尔定律求解出光线通过双自由曲面透镜的内表面上点的坐标，然后将得到的内表面的点用光滑的曲线连接起来，得到双自由曲面透镜的第一条种线；通过入射光线的方向与前一条种线对应点的切平面，得到双自由曲面透镜内表面的下一条种线上的点的坐标；得到所有的双自由曲面透镜内表面的种线上的点的坐标后，将每条种线上的点用光滑的曲线连接起来，得到一条条的自由曲线，然后将所有的自由曲线缝合成自由曲面，结合给定的双自由曲面透镜外表面，得到非旋转对称的双自由曲面透镜；

B3：通过从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向以及最终的出射光线的方向，得到光线经过双自由曲面透镜的内、外表面后的光线偏折角度，然后预先设定的分配比例，将总的光线偏折角度分成第一次光线偏折角度和第二次光线偏折角度，第一次光线偏折角度是指发生在光线经过双自由曲面透镜的内表面时的入射光线与折射光线的夹角，第二次光线偏折角度发生在光线经过双自由曲面透镜的外表面时的入射光线与折射光线的夹角；结合透镜的入射光线的方向与第一次光线偏折角度，得到光线在双自由曲面透镜的内表面的出射方向，进而根据斯涅尔定律得到双自由曲面透镜内表面的点的坐标；从双自由曲面透镜的内表面的折射光线即为双自由曲面透镜的外表面的入射光线，然后结合最终的出射光线的方向，根据斯涅尔定律得到双自由曲面透镜外表面的点的坐标；将得到的双自由曲面透镜内、外表面曲线上的点用光滑的曲线连接起来，得到双自由曲面透镜内、外表面的第一条种线；通过入射光线的方向与前一条种线对应点的切平面，得到双自由曲面透镜内、外表面的下一条种线上点的坐标；得到所有的双自由曲面透镜内、外表面的种线上的点的坐标后，将种线上的点用光滑的曲线连接起来，得到一条条的自由曲线，然后将所有的自由曲线缝合成自由曲面，得到非旋转对称的双自由曲面透镜。

双自由曲面透镜的内、外表面高度可以根据不同LED封装形式进行调节，高度可控，可以应用于LED支架式、板上芯片、阵列式、***封装、印刷电路板封装和硅基封装等封装形式。双自由曲面透镜的内、外表面形状可以是适应不同封装需要的不同形状，比如半球形、圆柱形、椭球形、抛物形、立方体形、棱台形、圆台形或自由曲面形等。双自由曲面透镜的内、外表面能够实现光束控制，满足各种不同照明要求，实现多种不同的照明效果，比如均匀圆形光斑、均匀矩形光斑、均匀多边形光斑等。

附图说明

图1为本发明方法的光源的划分方法；

图2(1)、图2(2)、图2(3)为本发明方法的目标面的划分方法；

图3(1)、图3(2)、图3(3)本发明的双自由曲面透镜种线设计方法；

图4(1)为旋转对称的双自由曲面透镜的构造方法，图4(2)为非旋转对称的双自由曲面透镜的构造方法；

图5(1)、图5(2)为第一实施例的双自由曲面透镜示意图及照度分布图；

图6(1)、图6(2)为第二实施例的双自由曲面透镜示意图及照度分布图；

图7(1)、图7(2)为第三实施例的双自由曲面透镜示意图及照度分布图；

图8(1)、图8(2)为第四实施例的双自由曲面透镜示意图及照度分布图；

图9(1)、图9(2)、图9(3)分别为第五实施例的双自由曲面透镜俯视图、A-A剖面图和B-B剖面图。

300：目标面，301：双自由曲面透镜外表面，302：双自由曲面透镜内表面，303；切平面。

具体实施方式

如图1所示，设光源O位于坐标原点处，将三维空间划分按照经纬线划分，纬线划分成N份，经线划分成M份，得到经线和纬线相交的网格图。纬线和经线划分的原则是保证每个微元网格的光通量相等。通过光源的网格划分，得到每条光线的方向。

将目标面划分成等面积的格子区域，每个格子区域的光通量相等。根据照明需要，目标面可以是圆形、矩形或其他形状，格子区域的形状可以是圆环形、扇形、矩形、梯形或其他形状；

如图2(1)所示，当目标面是圆形时，将目标面按经纬线划分成N份，纬线为同心圆，每一个圆环的面积相等，经线为等角度划分成M份，则每一个微元面积相等。如图2(2)所示，当目标面是矩形时，由对称性取目标面的四分之一进行划分，将目标面的长划分为相等的N份，宽划分为M份，每个微元面为矩形，面积相等；或者如图2(3)所示，将四分之一的目标面的一个直角等分成N份，长和宽分成M份，每一个微元面为等面积的梯形。M、N的取值范围根据计算精度和计算量来确定，一般而言，M、N的取值范围均为100至2000，二者的具体取值可以不等。

如图3(1)所示，当给定双自由曲面透镜的外表面301的函数关系z＝f(x，y)时，其中，(x，y，z)表示双自由曲面透镜外表面上的点在X-Y-Z三维空间中的坐标。根据安装需要给定双自由曲面透镜内表面302顶点A₀作为双自由曲面透镜内表面302的起始高度，并且其法线垂直向上，其切平面303水平；通过图1所示的光源的划分，得到所有入射光线的角度；根据入射光线OA₁和过A₀的切平面303，得到双自由曲面透镜内表面302第二点A₁的坐标；根据A₁的坐标和目标面300对应点R₁的坐标以及外表面301的切平面，通过斯涅尔定律得到双自由曲面透镜外表面301第二点B₁的坐标，进而得到双自由曲面透镜内表面302折射光线A₁B₁的方向，结合入射光线OA₁的方向，通过斯涅尔定律得到A₁点的法线方向和切平面303；依次类推，得到双自由曲面透镜内表面302上所有点A_n的坐标。

参见图3(2)所示，当给定双自由曲面透镜的内表面302的函数关系z＝f(x，Y)时，其中，(x，y，z)表示双自由曲面透镜内表面上的点在X-Y-Z三维空间中的坐标。根据透镜安装需要给定双自由曲面透镜的外表面301顶点B₀作为双自由曲面透镜外表面301的起始高度，并且其法线垂直向上，其切平面303水平；通过图1所示的光源的划分，得到所有入射光线的角度；根据第一条入射光线OA₁和内表面302的函数关系z＝(x，y)，得到内表面302第一点A₁的坐标以及内表面302折射光线的方向A₁B₁；根据光线A₁B₁的方向以及过B₀点的切平面303，通过斯涅尔定律得到外表面301第一点B₁的坐标；根据光线A₁B₁和最终的出射光线B₁R₁，通过斯涅尔定律得到外表面301第一点B₁的法线方向以及切平面303方向；依次类推，得到外表面301所有点B_n的坐标。

双自由曲面透镜的外表面301或内表面302的起始高度(即外表面301的顶点B₀坐标或内表面302的顶点A₀坐标)是根据双自由曲面透镜的类型和尺寸来确定：如果是一次透镜，内表面302的起始高度的取值范围是1毫米至5毫米，外表面301的起始高度的取值范围是2毫米至10毫米；如果是二次透镜，内表面302的起始高度的取值范围是3毫米至10毫米，外表面301的起始高度的取值范围是5毫米至30毫米。

双自由曲面透镜的外表面301或内表面302的函数关系是通过预先设定的表面形状和双自由曲面透镜的起始高度来给定，比如当表面形状是半球形，起始高度为4毫米，则函数关系为z＝(4²-x²-y²)^0.5；当表面形状是圆柱形，起始高度为2毫米，则函数关系为z＝(x²+y²)^0.5(0≤z≤2)。

参见图3(3)所示，通过图1所示的光源能量划分和图2所示的目标面300的划分，得到所有入射光线OA_i的方向和目标面300上对应点R_i的坐标，进而得到每条光线的总偏折角度D_i；将每条光线的偏折角度按照预先设定的比例关系拆分成两个小偏折角度，记为偏折角度d_1i和偏折角度d_2i；根据安装需要，给定A₀和B₀为透镜内表面302、外表面301的起始高度，并且其法线垂直向上，其切平面303水平；根据第一条条入射光线OA₁和过A₀点的切平面303，得到内表面302上A₁的坐标；根据偏折角度d₁₁，通过斯涅尔定律得到内表面302折射光线A₁B₁的方向和A₁点的切平面303；根据折射光线A₁B₁以及偏折角度d₁₂，得到最终出射光线B₁R₁的方向，进而通过斯涅尔定律得到外表面301上B₁的坐标和切平面303；依次类推，得到内表面302、外表面301上所有点A_n和B_n的坐标。

所述两个偏折角度预先设定的比例关系通常根据两次光线偏折程度来确定，其比例关系通常为1∶20至20∶1。

所述的斯涅尔定律描述的是光线入射到物体表面时的入射光线、折射光线和物体表面的法向方向三者之间的关系，知道其中任意两个量就可以求出第三个量。

参见图4(1)，当透镜为旋转对称时，通过图3所示的方法得到的透镜内表面点A_i或外表面的点B_i，采用点列插值、能量逼近、曲线光顺或非统一有理B样条曲线等曲线构造方法连接成一条光滑的自由曲线，将得到的自由曲线作为透镜的种线，绕旋转对称轴旋转得到双自由曲面透镜实体。

参见图4(2)，当透镜为非旋转对称时，可以先设计四分之一的双自由曲面透镜，然后通过两次轴对称得到整个双自由曲面透镜。通过图3所示的方法得到的透镜内表面或外表面的点P_1i作为第一条种线L1；通过入射光线I的方向与第一条种线L1对应点P_1i的切线方向303，得到双自由曲面透镜内表面或外表面的第二条种线L2上P_2i的坐标以及切平面303；通过入射光线I的方向与第二条种线L2对应点P_2i的切线方向，得到双自由曲面透镜内或外表面的第三条种线L3上P_3i的坐标以及切平面303；依次类推，得到所有的双自由曲面透镜内、外表面的种线。然后将得到的双自由曲面透镜的内、外表面的种线上的点用光滑的曲线连接起来，得到一条条的自由曲线，然后将所有的自由曲线缝合成自由曲面，得到四分之一的非旋转对称的双自由曲面透镜，然后通过两次轴对称得到整个双自由曲面透镜。

所述的双自由曲面透镜的材质是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)或玻璃材质。

所述的双自由曲面透镜外表面下部设置有与基板或支架的卡槽配合的安装脚。

所述的双自由曲面透镜可以通过开模注塑或精密加工等其它加工方式实现。

所述的双自由曲面透镜为单颗或阵列形式，安装时自由曲面透镜与光源对应关系为一对一或一对多或多对一关系。

所述的双自由曲面透镜适用于支架式、板上芯片、阵列式、***封装、印刷电路板封装和硅基封装等LED封装形式。

下面通过借助实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

实例1

参见图5(1)，本实施例中涉及的是一种内表面为圆柱形、外表面为自由曲面的旋转对称双自由曲面透镜。本实施例中双自由曲面透镜的材质是PC(聚碳酸酯)，内表面高度为1毫米，外表面高度是4毫米，给定的内表面的函数关系是1＝x²+y²(0≤z≤1)，即为高度为1毫米，半径为1毫米的圆柱，其中，(x，y，z)表示双自由曲面透镜内表面上的点在X-Y-Z三维空间中的坐标。参见图2(1)，目标面是半径为100毫米的圆面，按照图2(1)划分，N取200，M取300，光源到目标面的距离是50毫米。参见图5(2)，为本实施例中的双自由曲面透镜在目标面上的照度分布图。

实例2

参见图6(1)，本实施例中涉及的是一种外表面为圆柱形、内表面为自由曲面的旋转对称双自由曲面透镜。本实施例中双自由曲面透镜的材质是PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，内表面高度为2毫米，外表面高度是4毫米，给定的外表面的函数关系是4＝x²+y²(0≤z≤4)，即为高度为4毫米，半径为2毫米的圆柱，其中，(x，y，z)表示双自由曲面透镜外表面上的点在X-Y-Z三维空间中的坐标。参见图2(1)，目标面是半径为200毫米的圆面，按照图2(1)划分，N取500，M取800，光源到目标面的距离是100毫米。参见图6(2)，为本实施例中的双自由曲面透镜在目标面上的照度分布图。

实例3

参见图7(1)，本实施例中涉及的是一种内表面为半球形、外表面为自由曲面的旋转对称双自由曲面透镜。本实施例中双自由曲面透镜的材质是PP(聚甲基丙烯酸甲酯)，内表面高度为1毫米，外表面高度是3毫米，给定的内表面的函数关系是z＝(1-x²-y²)^0.5，即为半径为1毫米的半球面，其中，(x，y，z)表示双自由曲面透镜内表面上的点在X-Y-Z三维空间中的坐标。参见图2(1)，目标面是半径为100毫米的圆面，按照图2(1)划分，N取500，M取500，光源到目标面的距离是50毫米。参见图7(2)，为本实施例中的双自由曲面透镜在目标面上的照度分布图。

实例4

参见图8(1)，本实施例中涉及的是一种内表面和外表面均为自由曲面的旋转对称双自由曲面透镜。本实施例中双自由曲面透镜的材质是ABS(丙烯腈-苯乙烯-丁二烯共聚物)，内表面高度为4毫米，外表面高度是7毫米，给定的两个光线偏折比例是1∶1。参见图2(1)，目标面是半径为1000毫米的圆面，按照图2(1)划分，N取500，M取800，光源到目标面的距离是500毫米。参见图8(2)，为本实施例中的双自由曲面透镜在目标面上的照度分布图。

实例5

参见图9(1)、图9(2)、图9(3)，本实施例中涉及的是一种用于道路照明的内表面为半球形、外表面为自由曲面的非旋转对称的双自由曲面透镜。本实施例中双自由曲面透镜的材质是PVC(聚氯乙烯)，内表面高度为2毫米，外表面高度是5毫米，给定的内表面的函数关系是z＝(2²-x²-y²)^0.5，即为半径为2毫米的半球面，其中，(x，y，z)表示双自由曲面透镜内表面上的点在X-Y-Z三维空间中的坐标。参见图2(2)，目标面是长1000毫米，宽500毫米的矩形，按照图2(2)划分，N取500，M取500，光源到目标面的距离是500毫米。实例5的照明效果也满足照明要求。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于：

待设计的双自由曲面透镜的目标面为旋转对称时，通过给定的双自由曲面透镜内表面的函数关系，通过从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向，根据双自由曲面透镜内表面函数关系，根据斯涅尔定律得到光线通过双自由曲面透镜内表面的折射光线的方向，然后结合最终的出射光线的方向，根据斯涅尔定律得到双自由曲面透镜外表面的法向和切向方向，进而得到双自由曲面透镜外表面上点的坐标值，然后将得到的双自由曲面透镜的外表面的点用光滑的曲线连接起来，结合给定的双自由曲面透镜内表面，得到双自由曲面透镜的横截面，将横截面绕对称轴旋转，得到旋转对称的双自由曲面透镜。

2.一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于：

待设计的双自由曲面透镜的目标面为旋转对称时，通过给定的双自由曲面透镜外表面的函数关系，通过结合从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向，以及光线在双自由曲面透镜的内、外表面的折射关系以及最终的出射光线的方向，根据斯涅尔定律求解出光线通过双自由曲面透镜的内表面上点的坐标，然后将得到的双自由曲面透镜的内表面的点用光滑的曲线连接起来，结合给定的双自由曲面透镜外表面，得到双自由曲面透镜的横截面，将横截面绕对称轴旋转，得到旋转对称的双自由曲面透镜。

3.一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于：

待设计的双自由曲面透镜的目标面为旋转对称时，通过从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向以及最终的出射光线的方向，得到光线经过双自由曲面透镜的内、外表面后的光线偏折角度，然后按照预先设定的分配比例，将总的光线偏折角度分成第一次光线偏折角度和第二次光线偏折角度，第一次光线偏折角度是指发生在光线经过双自由曲面透镜的内表面时的入射光线与折射光线的夹角，第二次光线偏折角度发生在光线经过双自由曲面透镜的外表面时的入射光线与折射光线的夹角；结合入射光线的方向与第一次光线偏折角度，根据斯涅尔定律得到光线在双自由曲面透镜的内表面的出射方向，进而得到双自由曲面透镜内表面上点的坐标；从双自由曲面透镜的内表面的折射光线即为双自由曲面透镜的外表面的入射光线，然后结合最终的出射光线的方向，根据斯涅尔定律得到双自由曲面透镜外表面上点的坐标；然后将得到的双自由曲面透镜的内、外表面的点用光滑的曲线连接起来，得到双自由曲面透镜的横截面，将横截面绕对称轴旋转，得到旋转对称的双自由曲面透镜。

4.一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于：

待设计的双自由曲面透镜的目标面为非旋转对称时，通过给定的双自由曲面透镜内表面的函数关系，通过从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向，根据双自由曲面透镜内表面函数关系，根据斯涅尔定律得到光线通过双自由曲面透镜内表面的折射光线的方向，然后结合最终的出射光线的方向，根据斯涅尔定律得到双自由曲面透镜外表面的法向和切向方向，进而得到双自由曲面透镜外表面上的点的坐标；将得到的双自由曲面透镜外表面曲线作为双自由曲面透镜的第一条种线，通过入射光线的方向与前一条种线上对应点的切平面，得到双自由曲面透镜的下一条种线上点的坐标；得到所有的种线后，将得到的双自由曲面透镜的外表面的种线上的点用光滑的曲线连接起来，得到一条条的自由曲线，然后将所有的自由曲线缝合成自由曲面，结合给定的双自由曲面透镜内表面，得到非旋转对称的双自由曲面透镜。

5.一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于：

待设计的双自由曲面透镜的目标面为非旋转对称时，通过给定的双自由曲面透镜外表面的函数关系，通过结合从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向，以及光线在双自由曲面透镜的内、外表面的折射关系以及最终的出射光线的方向，根据斯涅尔定律求解出光线通过双自由曲面透镜的内表面上点的坐标，然后将得到的内表面的点用光滑的曲线连接起来，得到双自由曲面透镜的第一条种线；通过入射光线的方向与前一条种线对应点的切平面，得到双自由曲面透镜内表面的下一条种线上的点的坐标；得到所有的双自由曲面透镜内表面的种线上的点的坐标后，将每条种线上的点用光滑的曲线连接起来，得到一条条的自由曲线，然后将所有的自由曲线缝合成自由曲面，结合给定的双自由曲面透镜外表面，得到非旋转对称的双自由曲面透镜。

6.一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于：

待设计的双自由曲面透镜的目标面为非旋转对称时，通过从光源和目标面的划分得到的透镜的入射光线的方向以及最终的出射光线的方向，得到光线经过双自由曲面透镜的内、外表面后的光线偏折角度，然后预先设定的分配比例，将总的光线偏折角度分成第一次光线偏折角度和第二次光线偏折角度，第一次光线偏折角度是指发生在光线经过双自由曲面透镜的内表面时的入射光线与折射光线的夹角，第二次光线偏折角度发生在光线经过双自由曲面透镜的外表面时的入射光线与折射光线的夹角；结合透镜的入射光线的方向与第一次光线偏折角度，得到光线在双自由曲面透镜的内表面的出射方向，进而根据斯涅尔定律得到双自由曲面透镜内表面的点的坐标；从双自由曲面透镜的内表面的折射光线即为双自由曲面透镜的外表面的入射光线，然后结合最终的出射光线的方向，根据斯涅尔定律得到双自由曲面透镜外表面的点的坐标；将得到的双自由曲面透镜内、外表面曲线上的点用光滑的曲线连接起来，得到双自由曲面透镜内、外表面的第一条种线；通过入射光线的方向与前一条种线对应点的切平面，得到双自由曲面透镜内、外表面的下一条种线上点的坐标；得到所有的双自由曲面透镜内、外表面的种线上的点的坐标后，将种线上的点用光滑的曲线连接起来，得到一条条的自由曲线，然后将所有的自由曲线缝合成自由曲面，得到非旋转对称的双自由曲面透镜。

7.根据权利要求1至6中任一所述的一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法，其特征在于，采用所述方法设计的双自由曲面透镜的尺寸由双自由曲面透镜内、外表面的起始高度决定。

8.根据权利要求1至6中任一所述的一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法，内表面为自由曲面，透镜的外表面为自由曲面，内表面凹向外表面，透镜内表面为透镜的光线入射面，透镜外表面为透镜的光学出射面。

9.根据权利要求1至6中任一所述的一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法，给定的表面形状是半球形、椭球形、长方体形、棱台形、圆台形或圆柱形。

10.根据权利要求1至6中任一所述的一种光型可控的双自由曲面透镜设计方法，自由曲面透镜的材料是聚碳酸酯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或玻璃材质。