2。所述接收面14平行于xy平面且与z轴交于T= (0，0，50mm)。根据上述条件，通过微分方程法获得所述自由曲面122上的一系列数据 点，进一步地，用四阶的XY多项式为原型进行拟合，其中，所述四阶的XY多项式的表达式 为：夂=& + +P#2 +Ad+ +巧/ ;获得所述四阶的XY多项式的系数分别为： ΡρΙΟ,Ρ^Ο.ΟΤΘ?,Ρρ-0· 0130,P3= -0· 0088,P4= 0· 0235,P5= -0.0041 ;其中，权重W为…； 最后，根据所述最终自由曲面面形构建一自由曲面透镜实体12,从而获得所述LED自由曲 面照明系统100。所述自由曲面透镜实体12的材料为PMMA，且折射率为1. 4918。
[0026] 请参照图2-4,图2为使用LightTools构建此自由曲面122并进行光线追迹 的仿真结果图；图3所述自由曲面122所形成的矩形照明视场142的照明效果图；图4 为所述自由曲面122所形成的矩形照明视场142的在X轴和y轴上的照度分布图。从 图可看出，照明视场142的均匀性非常好，形状和尺寸也和设计要求十分吻合，且所述LED自由曲面照明系统100的能量利用率可达99. 892%，照明视场142的均匀性可达 1672.Olux/1815. 81ux=92. 08%〇
[0027] 实施例2 本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于，形成一边长为20mm的方形照明视场；由 此获得所述四阶的XY多项式的系数分别为Λ^Ο,Ρ^-Ο.ΟΟΘδ,Ρρ-0.0095，P3= -0.0047， Ρ4= 0·0222，Ρ5= _0.0047;且，权重￥为10。
[0028] 请参照图5-7,图5为使用LightTools构建此自由曲面并进行光线追迹的仿真结 果图；图6所述自由曲面所形成的矩形照明视场的照明效果图；图7为所述自由曲面所形 成的矩形照明视场的在X轴和y轴上的照度分布图。从图可看出，照明视场的均匀性非常 好，形状和尺寸也和设计要求十分吻合，且系统的能量利用率可达99. 892%，照明视场的均 匀性可达91. 2%。
[0029] 实施例3 请参照图8,假设以LED点光源10为原点0,建立所述三维直角坐标系Oxyz;所述 自由曲面222与z轴交于C= (0，0，10mm);所述LED点光源10发出的以+z轴为中 心、以10°为半孔径角的圆锥形成像光束，经所述自由曲面122后在所述接收面14上 形成一半径为l〇mm的矩形照明视场144。所述接收面14平行于xy平面且与z轴交于 T= (0，0，50mm)。根据上述条件，通过微分方程法获得所述自由曲面222上的一系列数 据点，进一步的用四阶的XY多项式拟合，其中，所述四阶的XY多项式拟合的表达式为： 艺=巧+ +A/ + + 為# ;进而获得所述四阶的XY多项式的系数分别 为：P0=10,Pf-O. 11944,P2= -0· 11961，P3= -〇· 0011174,P4= 3. 2382e_005,P5= -〇· 0010470 ;其中，权重w为…；最后，根据所述最终自由曲面面形构建一自由曲面透镜实体 22,从而获得所述LED自由曲面照明系统200。其中，所述自由曲面透镜实体22的材料与所 述自由曲面透镜实体12的材料相同。
[0030] 请参照图9-10，图9所述自由曲面222所形成的矩形照明视场144的照明效果图； 图10为所述自由曲面222所形成的矩形照明视场144的在X轴和y轴上的照度分布图。从 图可看出，照明视场144的均匀性非常好，形状和尺寸也和设计要求十分吻合，且所述LED 自由曲面照明系统200的能量利用率可达99. 994%，照明视场144的均匀性可达99. 88%。
[0031] 本发明实施例提供的基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计，通过综合考量 各数据点的坐标值及法向量，从而能够同时使得坐标值和法向量得到不同程度的满足，并 将这两方面的偏差都控制在可接受的范围之内，从而获取均匀的照明效果，并提高能量利 用率。
[0032] 另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精 神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。
【主权项】
1. 一种基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计，包括： 510 :在一三维直角坐标系Oxyz中根据一LED点光源及其在一接收面所形成的照明视 场获得一自由曲面的一系列数据点，其中，所述LED点光源所发射的光线经过所述自由曲 面在所述照明视场实现均匀照明，每一数据点包括一坐标值Q1 = (Xl，yi，Z1Mi= 1，2， …，n)和一法向量Ni =(Ui, Vi,-I)(i= 1，2，…，n),所述自由曲面的表达式为：511 :获得所述坐标值Qi = (Xi,y;，ZiMi= 1，2，…，n)与所述自由曲面在z方向512 :获得所述数据点的法向量Ni =(Ui, Vi,-I)(i= 1， 2， ???，！!）与所述自由曲面法向量Il1的矢量差的模值的平方和313:获得评价函数/(乃^1(乃+>^1^),其中， ￥为权重且大于〇; 514 :选择不同的权重w，并令所述评价函数/(F)的梯度可(P) =Qi，从而获得多组不同 的P及其对应的多个自由曲面面形z=f(x，y;P); 515 :获得具有最佳的成像质量的最终自由曲面面形Q以及 516 :根据所述最终自由曲面面形Q_构建一自由曲面透镜实体，从而获得所述LED自 由曲面照明系统。2. 如权利要求1所述的照明系统设计，其特征在于，所述多个数据点为通过微分方程 法获得。3. 如权利要求1所述的照明系统设计，其特征在于，所述评价函数的梯度VfP4. 如权利要求1所述的照明系统设计，其特征在于，所述XY多项式自由曲面以三阶XY 多项式曲面、四阶XY多项式曲面、五阶XY多项式曲面或六阶XY多项式曲面为原型。5. 如权利要求1所述的照明系统设计，其特征在于，所述步骤S15进一步包括： S151，获得该不同的自由曲面面形z=f(x，y;P)的弥散斑均方根半径；以及S152,选择具有最小弥散斑均方根半径的自由曲面面形z=f(x，y;P)为最终自由 曲面面形Q6. 如权利要求1所述的照明系统设计，其特征在于，所述LED点光源的发光半角小于等 于 20°。7. 如权利要求6所述的照明系统设计，其特征在于，所述LED点光源的发光半角小于等 于 10°。
【专利摘要】本发明涉及一种基于XY多项式的LED自由曲面照明系统设计，包括：在一三维直角坐标系Oxyz中根据LED点光源及其在接收面所形成的照明视场获得自由曲面的一系列数据点，包括：坐标值Qi=(xi,yi,zi)(i=1,2,…,n)和法向量Ni=(ui,vi,-1)）；获得坐标值Qi与自由曲面在z方向坐标差值的平方和e1(P)；获得法向量Ni与自由曲面法向量ni的矢量差的模值的平方和e2(P)；获得一评价函数，w为权重；选择不同的权重w，并令评价函数的梯度从而获得多个自由曲面；选取具有最佳的成像质量的最终自由曲面面形并根据其构建一自由曲面透镜实体，从而获得LED自由曲面照明系统。
【IPC分类】F21Y115/10, F21S2/00, F21V5/04
【公开号】CN105221974
【申请号】CN201410263035
【发明人】朱钧, 熊思思, 吴晓飞, 金国藩, 范守善
【申请人】清华大学, 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2014年6月13日
【公告号】US20150362725