CN108506743A - 一种高聚焦度的自由曲面菲涅尔照明*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高聚焦度的自由曲面菲涅尔照明***，涉及光学设备技术领域，按光线传播方向依次设置有一点光源、一包含自由曲面的菲涅尔透镜以及一接收面，所述菲涅尔透镜与所述接收面平行设置，所述点光源设置在所述菲涅尔透镜和所述接收面的中垂线上，所述菲涅尔透镜包括入光平面以及与所述入光平面相对设置的多段混合曲面，所述多段混合曲面上设置有N干个自由曲面锯齿，所述点光源设置在所述入光平面的一侧，所述接收面设置在所述多段混合曲面的一侧；所述点光源具有出射角度所述出射角度划分成N份与所述自由曲面锯齿一一对应。本发明的有益之处是，均匀度高、结构简单且光能损失少，以适应实际照明需要。
Description
技术领域
本发明涉及光学设备技术领域，尤其是一种高聚焦度的自由曲面菲涅尔照明***。
背景技术
菲涅尔透镜具有价格低、面积大、重量轻和轻便等优点，是一种应用广泛的光学元件，其设计和制造涉及多个领域。菲涅尔透镜主要用途有：一是聚焦照明作用，这种透镜被广泛应用于太阳能、投影仪照明、单反相机、裸眼3D显示等领域；二是将结合被动式红外探测器(Passive Infrared Detection，简称：PIR探测器)来探测热释红外信号。
菲涅尔透镜通常是由许多个小锯齿构成，通过控制这些锯齿的工作面角度，从而达到对指定光谱范围的光能实现反射或者折射的作用。常规的菲涅尔透镜的锯齿工作面通常是平面，或者在径向上呈一直线(圆环形菲涅尔透镜)，这类透镜的聚焦效率取决于锯齿密度，锯齿密度越大，菲涅尔透镜的聚焦效率越好，反之亦然。实际中，锯齿的齿宽或齿深越小，相应的模具加工精度要求越高，从而导致成本越高。另外，每个锯齿为平面的菲涅尔透镜无法较好的修正球差等参数，影响光源照明的均匀性。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供一种高聚焦度的自由曲面菲涅尔照明***，均匀度高、结构简单且光能损失少，以适应实际照明需要。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高聚焦度的自由曲面菲涅尔照明***，按光线传播方向依次设置有一点光源、一包含自由曲面的菲涅尔透镜以及一接收面，所述菲涅尔透镜与所述接收面平行设置，所述点光源设置在所述菲涅尔透镜和所述接收面的中垂线上，所述菲涅尔透镜包括入光平面以及与所述入光平面相对设置的多段混合曲面，所述多段混合曲面上设置有N干个自由曲面锯齿，所述点光源设置在所述入光平面的一侧，所述接收面设置在所述多段混合曲面的一侧；所述点光源具有出射角度所述出射角度划分成N份与所述自由曲面锯齿一一对应，所述照射区域所发出的光线经过其对应的所述自由曲面锯齿后，在所述接收面上形成线形光斑。
进一步地，所述菲涅尔透镜的半径为30mm。
进一步地，所述点光源离所述菲涅尔透镜的入光平面的距离是50mm，所述接收面离所述菲涅尔的多段混合曲面的距离为500mm。
进一步地，所述点光源是LED点光源。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了环状菲涅尔自由曲面混合锯齿结构及多对一的映射方式，通过对LED点光源不同发光角度区域进行划分，使每一发光区域与菲涅尔的每一自由曲面锯齿一一对应，令不同范围角度的光线经过所述相应的锯齿区域独立形成无缝连接的线形光斑，既能实现在接收面上的均匀照明，又能实现让接收面上所有的点接收到相应光线的光能，从而提高了照明均匀性。另外，本发明提供的自由曲面菲涅尔透镜还能做出相应的变式，应用于太阳能聚焦上，提高光能的聚焦效率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：
图1是本发明的工作原理图；
图2是采用曲面拟合所得的自由曲面锯齿的面型数据图；
图3是采用曲面拟合所得的含有自由曲面的透镜实体图；
图4是模拟软件tracePro的模拟效果图；
图5是不加透镜并保持相同的光学元件参数的模拟图。
图中：100-点光源，110-入光平面，120-多段混合曲面，121、122、123、124、125、126-自由曲面锯齿，130-接收面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种高聚焦度的自由曲面菲涅尔照明***，按光线传播方向依次设置有一点光源100、一包含自由曲面的菲涅尔透镜以及一接收面130，菲涅尔透镜与接收面130平行设置，点光源100设置在菲涅尔透镜和接收面130的中垂线上，菲涅尔透镜包括入光平面110以及与入光平面100相对设置的多段混合曲面120，多段混合曲面120上设置有N干个自由曲面锯齿，在本实施例中，如图1所示，N为6，多段混合曲面120划分为121、122、123、124、125、126这6个自由曲面锯齿，点光源100设置在入光平面110的一侧，接收面130设置在多段混合曲面120的一侧；点光源100具有出射角度出射角度划分成N份与自由曲面锯齿121、122、123、124、125、126一一对应，N为6，照射区域所发出的光线经过其对应的自由曲面锯齿121、122、123、124、125、126后，在接收面130上形成线形光斑；优选地，点光源100是LED点光源，具有节能、亮度大等特点；优选地，菲涅尔透镜的半径为30mm，点光源100离菲涅尔透镜的入光平面110的距离是50mm，接收面130离菲涅尔的多段混合曲面120的距离为500mm。
如图1所示，点光源100设置在y-z坐标原点(0,0)处，其所发出的光能沿光线传播方向依次经过菲涅尔透镜入光平面110，多段混合曲面120，最终到达接收面130，点光源100为一LED点光源，设定其最大发光角度为菲涅尔透镜的锯齿数目设置为2N，点光源100的发光角度按照锯齿数目被分割成2N份，每一份光能由对应的锯齿通过折射作用传输到接收面130，负责相应的区域照明。接收面130的半宽为ym，其按照所述菲涅尔透镜锯齿数目被N份，每一份线型区间为ym/N。为实现接收面130上的均匀照明，其每一划分区域的照度设置为E。点光源100的最大光强为Io，其按角度分布的表达式为：
P是自由曲面锯齿123上的一点，向量P可表示为：
为接收面130上一点，则出射光的单位矢量为
其中，为曲面上点与目标面上的点之间的距离。
设P点上的单位法向量为N，经推导，法矢N的表达式为：
其中表示函数p对角度求偏导数。
光线经过菲涅尔透镜的折射公式为：
其中nI为入射光所在介质的折射率，no为出射光所在介质的折射率。
由公式(1)-(5)可以求得自由曲面上p点的位置方程为：
上式为一阶常微分方程，可用数值方法求解。
根据能量守恒定律，有：
结合公式(6)和(7)，利用拟牛顿法可以求出函数p的数值解，通过matlab编程，可计算出所述自由曲面锯齿混合面的每一个点坐标数据。
根据所述面型数据，并采用非均匀有理B样条(Non uniform rational B-spline，NURBS)来进行曲面拟合，从而获得如图2所示的多段混合曲面120。本实施例中使用基于NURBS的原理的Rhinoceros建模软件进行曲面拟合，从而获得含有该多段混合曲面120的透镜实体。
本发明实施例进一步提供一种基于上述设计方法获得的自由曲面菲涅尔透镜照明***，包括一LED点光源100、一入光平面110，一多段混合曲面120以及一接收面130。不失一般性，设菲涅尔透镜的半径为30mm，预设照明区域为20mm的圆型光斑，LED点光源100离菲涅尔透镜的入光平面110的距离为50mm，接收面130离菲涅尔的多段混合曲面120的距离为500mm，为方便表达本发明的特点，菲涅尔透镜的锯齿数目为10。透镜厚度为4mm，材料采用PMMA，折射率为1.49。根据所述参数，计算出来的多段混合曲面120的面型数据如图2所示，从计算结果可以看出，随着锯齿数增大，为实现均匀照明，锯齿的排布会越向下塌，这与常规的菲涅尔透镜的锯齿排布大有不同。
根据所述面型数据，并采用非均匀有理B样条(Non uniform rational B-spline，NURBS)来进行曲面拟合，从而获得多段混合曲面120，本实施例中使用基于NURBS的原理的Rhinoceros建模软件进行曲面拟合，从而获得含有该多段混合曲面120的透镜实体，如图3所示。
根据面型建立实体后，将模型导入模拟软件tracePro中进行模拟，模拟的效果如图4所示，从图4可以看出，本发明实施例提供的自由曲面菲涅尔透镜结合LED点光源100在接收面130上可实现照明均匀性达80％以上。作为对比，不加透镜时，保持相同的光学元件参数进行模拟，得到的效果图如图5所示。对比图4和图5，可以发现，自由曲面透镜能更有效实现LED点光源100的聚焦照明，使得光能更加集中，利用效率更高。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种高聚焦度的自由曲面菲涅尔照明***，其特征在于，按光线传播方向依次设置有一点光源、一包含自由曲面的菲涅尔透镜以及一接收面，所述菲涅尔透镜与所述接收面平行设置，所述点光源设置在所述菲涅尔透镜和所述接收面的中垂线上，所述菲涅尔透镜包括入光平面以及与所述入光平面相对设置的多段混合曲面，所述多段混合曲面上设置有N干个自由曲面锯齿，所述点光源设置在所述入光平面的一侧，所述接收面设置在所述多段混合曲面的一侧；所述点光源具有出射角度所述出射角度划分成N份与所述自由曲面锯齿一一对应的照射区域，所述照射区域所发出的光线经过其对应的所述自由曲面锯齿后，在所述接收面上形成线形光斑。
2.根据权利要求1所述的一种高聚焦度的自由曲面菲涅尔照明***，其特征在于，所述菲涅尔透镜的半径为30mm。
3.根据权利要求2所述的一种高聚焦度的自由曲面菲涅尔照明***，其特征在于，所述点光源离所述菲涅尔透镜的入光平面的距离是50mm，所述接收面离所述菲涅尔的多段混合曲面的距离为500mm。
4.根据权利要求1所述的一种高聚焦度的自由曲面菲涅尔照明***，其特征在于，所述点光源是LED点光源。
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