用于固态照明的自由曲面微透镜设计

针对LED照明应用中,现有二次光学设计过程对LED初始光强空间角分布的依赖性,讨论了用于LED照明的自由曲面微透镜器件的设计方法.根据斯涅尔定律和边缘光学理论,研究了自由曲面微透镜的面形构造算法,建立了自由曲面微透镜器件的光学模型,并用光学模拟软件对其照明性能进行了模拟实验.结果显示,该微透镜器件能够在目标面上获得满足预期要求的照度分布,照明均匀度在92%以上,且其结构有效解决了LED初始光强空间角分布复杂化的现状和现有二次光学设计对光源初始光强空间角分布依赖性的矛盾.     

实现近场均匀照明的双自由曲面大角度透镜设计

针对LED单自由曲面透镜近场大角度照明均匀性不足和出光效率低等问题,基于边缘光线理论和网格划分法,设计了内曲面为椭圆型,外曲面为自由曲面的LED双自由曲面大角度透镜.透镜内曲面对LED入射光线进行发散,外曲面对出射光线方向进行控制,实现大角度均匀照明,并减少全反射损失,提高出光效率.采用扩展光源文件对透镜模型进行光学仿真,并利用反馈优化法对外曲面进行优化,提高近场的照度均匀性.研究表明:在相同近场距离条件下,出光角度为143°、151.8°时,单自由曲面透镜照度均匀性为0.55和0.40,出光效率为92.0%和80%,而所设计的双自由曲面透镜照度均匀性为0.84和0.85,出光效率为98.8%和95.0%,照明效果明显改善.     

实现在不同场合中LED均匀照明的方法研究

 LED自身的发光特点限制了其在照明领域的应用,如何合理分配LED的能量,在目标面上形成理想的照度是一个值得研究的问题。就不同应用场合下如何进行光学设计进行分析,通过采用非成像光学设计中光学扩展度守恒方法得到透镜的方程,分别实现圆形均匀照明和矩形均匀照明,其中圆形照明面照度均匀性达到85%,矩形照明面照度均匀性达到75%,并建立了自由曲面透镜三维模型,结合Tracepro进行光线追迹。仿真结果表明：提出的方法满足相应的照明标准,验证了理论设计的合理性。     

激光光源汽车远光灯自由曲面透镜设计

根据激光光源的特点,设计了一种基于蓝色半导体激光器的汽车远光灯系统。采用以Monge-Ampere方程为基础的自由曲面透镜设计,解决了激光光源能量密度高、发光面积小的问题;依据非成像光学理论,建立了透镜表面与目标面的映射关系;通过求解Monge-Ampere方程得出自由曲面上的坐标点,拟合坐标点得到自由曲面透镜模型;采用光学软件Tracepro进行了仿真分析。结果表明:照度最大值值为119.3lx,中心点照度为117.6lx,完全符合GB25991-2010标准,且光型分布均匀。     

实现LED矩形均匀照明的透镜设计

 随着大功率LED发射光强的不断提高,采用单粒LED为光源的照明系统已得到普遍应用。设计一种以LED为光源实现矩形均匀照明的透镜,根据微分几何的理论建立透镜面型所满足的微分方程,然后根据能量映射关系和能量守恒定律建立面型与目标面坐标点之间的关系,并通过四阶龙格-库塔法求解微分方程得到面型数据,利用所得的面型数据在三维建模软件Rhinoceros中构建出所求透镜面型,并将透镜导入ASAP进行模拟。模拟结果表明：该光学系统效率达到94.01%,目标面照度均匀性优于92.73%。最后分析了自由曲面的连续性,指出能量映射关系决定着自由曲面的连续性。     

基于自由曲面的LED全反射准直透镜的设计

为在特定角度范围内实现所需照明,满足各类LED照明系统的要求,提出一种适用于扩展光源的透射 全反射复合曲面的LED透镜设计方法。根据光源的大小由非成像光学原理确定反射面面型并计算光源发散角度,再根据照射的角度要求进行自由曲面的透镜设计。文章给出了设计思想及方法,并设计了一款出射半角为2.5的透镜实例,分析了误差对实际结果的影响。     

双自由曲面LED均匀照明准直透镜设计

为了克服传统LED准直器在近场难以实现均匀照明的缺陷,设计了一种双自由曲面均匀照明准直透镜.透镜分为折反两部分,每部分都利用双自由曲面进行匀光和准直.根据马吕斯定律,推导了实现光束准直出射的等光程方程,并将切面迭代法加入等光程条件,同步计算准直透镜上下自由曲面的面形数据.仿真分析表明:对1mm×1mm的白光LED芯片,84.55%的能量集中在±2°内,近场照度均匀性达到94.59%,远场照度均匀性为89.01%;当LED芯片尺寸不超过2.0mm×2.0mm时,±4°内的能量利用率大于83.5%,近场照度均匀性在90%以上.该准直透镜能同时实现近场和远场的均匀照明,公差符合装配要求,光能利用率高.     

基于LED光源与聚合物光纤束的能量均匀透镜耦合器设计

研究了以大功率发光二极管(LED)作为光源的聚合物光纤束(POFB)透镜耦合器的原理和设计方法,基于能量补偿和坐标迭代法设计了一种能量均匀分布自由曲面透镜耦合器。透镜耦合器由两个折射曲面和两个反射曲面以及一个环形柱透镜面组成,折射曲面将修正的朗伯型大功率LED光束中发散角度较小的光线均匀分配在POFB端面上;反射曲面将LED光束中发散角度较大的光线作为补偿光线进行能量重新分配以提高目标面的照度均匀性,并以光纤束端面的照度均匀性和有效光利用率为优化目标对透镜耦合器结构进行优化设计。光学仿真结果表明,当采用3535规格的LED作为光源时,设计的耦合器可使直径为0.5 mm的20×20根POFB端面照度均匀性达到92%,有效光利用率达到71%。     

一种基于自由曲面的LED准直透镜设计

提出一种能实现准直光束照明的自由曲面透镜设计算法,并基于此算法设计一种以单颗LED为光源的准直透镜。通过建立透镜后表面轮廓曲线上的点所满足的方程,利用迭代方法并结合Matlab编程求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,将数据点导入SolidWorks中进行曲线拟合并建模,进而得到透镜的实体模型。在TracePro中对该透镜进行非序列光线追迹,模拟结果表明:该光学系统能够实现均匀照明,并对最终光线可实现准直出射。     

LED照明的透射-全反射型复合曲面二次光学透镜的设计

 二次光学元件是LED照明灯具的关键组成部分,其决定了灯具的光学效率和配光特征。依据斯涅尔定律、边缘光线原理、光束扩展度守恒等原理,根据照明灯具在X、Y方向的非对称配光的要求,提出一种复合曲面的数值设计方法,建立起LED 光源出射光线的角度与照明平面上的照明点的坐标的对应关系。根据对应关系迭代计算出复合曲面上其他点的空间坐标,把点坐标值导入CAD软件进行曲线重构,结合中间的凸透镜,就可以建立全反射复合曲面透镜的三维实体模型。在光学软件中对三维实体模型进行照明模拟,结果表明：通过复合曲面二次光学透镜作用于LED,可以在路面上形成均匀照明的矩形光斑。     

Practical issues for two-light-sources model of phosphor-based white light-emitting diode

We report an intuitive approach to simulating the performance of the phosphor-based light emitting diode (LED) by using the two-light-sources model for an optimized LED lens. The optimized secondary lens shape is achieved by approaching a uniform energy distribution on the detecting plane. Both the spectrum and spatial apodization of the LED structure are discussed, and the results indicate that the two-light-sources model can solve the misleading design on the phosphor-based LED due to imperfect color mixing of light source, that one can satisfy the highly uniformity requirement for specific applications, such as display backlight or optogenetic.     

基于双自由曲面的LED大角度光学透镜设计

针对直下式LED背光源的均匀照明系统,采用双自由曲面组合,设计了一种大角度光学透镜结构。通过近光源面的自由曲面将光发散成的c/cos3(θ)型光场分布,再利用远光源面实现目标面的均匀分布。这样可以在短距离条件下实现大面积的均匀照明,相对于传统的单自由曲面设计,有效地避免了全反射的发生,提高了照明区域的面积。采用光线追迹软件对所设计的结构进行仿真,通过对模拟结果的分析,在灯箱厚度为15mm时,单透镜均匀照明面积可以达到60mm。采用正三角阵列分布,整个目标面均匀度达到87.5%。相对于传统的大功率器件的直下式光源方式,提高了照明的均匀度,同时大大减少了箱体的厚度。     

单颗LED实现远距离均匀照明系统设计

针对现有的LED照明系统体积大、结构复杂、工作距离短的缺点,提出一种轻量化、均匀性好、能够实现远距离照明的单颗LED投影系统的设计方法。从照明设计理论出发,结合非成像设计和成像设计方法,设计了由单颗大功率LED、聚光镜、孔径光阑和投影物镜组成的投影照明系统。聚光镜对LED出射的光线进行匀化并会聚于照明面位置,投影物镜将照明面处的光斑投影到指定距离的接收面上。系统采用全透射式结构,便于加工和装调;单颗大功率LED作为光源能够有效减小系统体积和质量。实验结果表明:系统能在3 m~3 km范围内形成均匀度大于90%的照明,成像质量良好,投影面畸变小于5%,能满足远距离均匀照明投影的要求。     

Optical design of adjustable light emitting diode for different lighting requirements

<正>Light emitting diode(LED) sources have been widely used for illumination.Optical design,especially freedom compact lens design is necessary to make LED sources applied in lighting industry,such as large-range interior lighting and small-range condensed lighting.For different lighting requirements,the size of target planes should be variable.In our paper we provide a method to design freedom lens according to the energy conservation law and Snell law through establishing energy mapping between the luminous flux emitted by a Lambertian LED source and a certain area of the target plane.The algorithm of our design can easily change the radius of each circular target plane,which makes the size of the target plane adjustable.Ray-tracing software Tracepro is used to validate the illuminance maps and polar-distribution maps.We design lenses for different sizes of target planes to meet specific lighting requirements.     

实现LED照明的自由曲面透镜设计

为在特定平面上实现所需照明,从而满足各类LED照明系统的要求,通过透镜的第一面球面和第二面自由曲面的两次折射实现LED的配光设计.根据给出的LED辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,并预先定义透镜球面的结构参量,可得到一组一阶偏微分方程,数值差分求解直接求得透镜的自由曲面.光源采用发光面积1×1 mm2朗伯体发光的LED,视角180°,由自由曲面透镜得到的各种形状照明面的模拟均匀性皆接近90%,且能量利用率高于98%,编程解一阶偏微分方程组的计算时间少于20 s.     

Microcavity light emitting diodes as efficient planar light emitters for telecommunication applications

Light emitting diodes (LEDs) can be coupled to optical fibers and used in telecommunication applications. Compared to laser diodes, the coupling is usually small, due to the isotropic emission of the source, combined with the large refractive index difference between the semiconductor and the outside medium. However, it is possible to greatly enhance the optical extraction of a planar LED by placing the source inside a microcavity which optical thickness is close to the wavelength of the emitted light. Some elementary design rules of a microcavity light emitting diode (MCLED) are explained here, and are illustrated on a real GaAs/Al_xGa_1−xAs device emitting at 880 nm. The surface external quantum efficiency of this MCLED reaches 14% into air and 20.6% with an encapsulation into an epoxy lens. These values are about 10 times larger than for a usual LED and are in good agreement with theoretical values, calculated with a plane waves model. To cite this article: D. Ochoa et al., C. R. Physique 3 (2002) 3–14     

一次透镜封装的单片集成LED光源北大核心CSCD

在使用LED作为照明光源的过程中,光场作为LED应用中的关键因素,一般使用二次光学系统进行调控。但是二次光学系统一般设计复杂、体积大、重量重,随着LED光学封装系统朝着小型化方向发展,二次光学系统的应用将会变得困难。结合软件仿真和实验验证探索了用于单片集成发光二极管(MI-LED)的一次光学透镜的光场调控功能。研究结果表明,仿真和实验LED光源的光场几乎重合一致,所设计的一次透镜将LED光源的光束角从120°调控到48°~72°范围内。与未加一次透镜的LED光源相比,加一次透镜的LED光源具有更高的光提取效率和更均匀的空间光色分布。     

高均匀低眩光LED台灯配光设计及仿真分析

市场上的节能台灯普遍存在光效低、亮度不均匀、眩光较严重的缺点,以改善这些缺点作为出发点,设计了一款高均匀低眩光的LED护眼台灯.设计加入非球面反光杯灯罩来收集LED光源发出的大角度光线,提高了光能的利用率并改善了眩光.加入配光透镜消除接受平面存在的中心亮斑,解决了均匀照明问题.通过ProE三维设计软件进行实体建模,导入TracePro进行光线模拟和仿真分析,结果表明这一LED台灯配光设计可在工作距离为450 mm、直径为700 mm的接收面内实现低眩光高均匀照明,平均照度可达497.1 lx,平均度达到0.9左右.这一高均匀低眩光LED护眼台灯的设计方案有着广阔的实际应用前景.