Nonspherical LED packaging lens for uniformity improvement

Light emitting diode (LED) has more advantages compared with a traditional incandescent light bulb and a fluorescent lamp, such as small size, low quantity of heat, long life, low power consumption, fast response, plain packaging and ease of develop ment of a frivolous short product. A methodology is proposed to improve the uniformity of the LED illumination system. As a light source in a backlight unit (BLU), the requirement for optical characteristics of a LED is different from highly directional conventional ones. New diffused-type LEDs need to be developed to fulfill the requirement of the BLU industry. A non-spherical lens is designed to optimize uniformity, and a great improvement in uniformity from 28.4 to 64% is demonstrated. In the future, it may used in an LED display to improve the unevenness of illumination.     

An optimum design and fabrication of lens on luminous uniformity and light extraction of high-power light-emitting diode

The effect of lens inner structure on radiation pattern and light extraction efficiency of light-emitting diode (LED) and the application to artificial light in compact greenhouse is demonstrated. A commercial software package of Trace Pro and one-factor at-a-time (OFAT) method are used to simulate the lens with different inner structure. The optimum parameters of lens inner structure design for the maximum light extraction efficiency and the best uniform luminous are described by the corner radius of curvature, lens width, and lens height, respectively. For a real single LED module, base on the optimum parameters of lens inner structure, the corresponding best luminous uniformity is 62% and corresponding output extraction is 14.11 lm. The maximum uniformity of illumination for LED matrix assembled by LED modules with optimum lens is 88% and corresponding light extraction 1141 lm. In comparison with a commercial artificial light of LED matrix used in agriculture, the high-power LED module with proposed lens inner structure exhibit good improvement in uniformity of illumination and light extraction. This study may provide a practical guideline for design and fabrication of a high-performance lens used in various compact agricultural applications.     

LED路灯的自由曲面二次透镜设计

配光是LED路灯应用的主要技术问题之一。道路照明要求LED路灯在路面为均匀性良好的矩形光斑,在道路外无污染,无眩光。采用Snell定律和光源扩展度守恒原理确定自由曲面的解析方程,借助Matlab工具,采用差分法求解建立的偏微分方程,得到自由曲面的数据组,用作图软件Pro/Engineer为自由曲面透镜建模,通过计算机仿真软件TracePro进行光路仿真检验设计结果,并对所得结果进行分析。设计一款内表面为椭球面,外表面为自由曲面的LED路灯透镜,实现了路面光照总均匀度0.75,纵向均匀度0.85的效果。     

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。     

发光二极管材料与器件的历史、现状和展望

文章介绍了发光二极管材料和器件的研究、开发的历史，概述了发光二极管技术的发展现状和进展．通过与其他类型光源的比较，向读者展示了发光二极管未来的重要地位和光明前景．发光二极管的最近的成就是实现了有色光方面的成功应用．高功率白色发光二极管已开始应用于便携式和特殊照明．而在通用的照明领域要成功地应用发光二极管，则需要通过性能和价格方面的继续突破来实现．     

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.     

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。     

室内可见光通信发光二极管阵列发射性能的研究

提出了一种基于Lambert辐射模型的发光二极管光源阵列发射天线光照度计算模型,对室内可见光通信发射天线进行了优化设计.分析了光源的空间分布形式、光源间距、光源中心光束与系统光轴夹角以及空间分布层间距等因素对光照度均匀性的影响.通过仿真模拟和分析,得到了圆形阵列天线在照度均匀性和通信传输信号稳定性方面都优于相同光源数目的矩形阵列天线,并且提高了10%左右;同时得出了在满足室内照明情形下,发光二极管阵列发射天线照度均匀度随光源间距及光源中心光束与系统光轴夹角的增加均呈现出先增加后减小的变化趋势,因此,光源间距和光源中心光束与系统光轴夹角均存在最优值;照度均匀度随空间分布层间距的减小而增加,并给出了5 m×5 m×3 m普通房间内发射天线阵列设计参数的最优值,使发射性能得到了优化,同时节省光源数13%,降低了成本.这些研究为发射天线系统的设计提供了理论依据,具有实用价值.     

LED阵列光源的舞台灯变焦透镜系统

 针对国内大功率LED阵列光源舞台灯具在光束角度不可变和光能利用效率低等问题,提出利用透镜组变焦原理来设计阵列光源变焦透镜系统。基于透镜组变焦原理设计了单颗LED光源的变焦透镜组,高级光学系统分析模拟软件ASAP的计算结果显示：调焦范围为0~10 mm时,出光角度（1/10峰值角）的变化范围为18.5°~38.7°,光能利用效率在调焦距离为10 mm时达到78%以上。在此基础上,将单颗LED光源的变焦透镜组扩展为Red、Green、Blue各12颗共36颗LED的变焦透镜系统,进一步分析36颗LED阵列光源在不同排布方式下的出光角度及混色效果。ASAP计算结果显示：在调焦范围与单颗LED相同的情况下,LED阵列光源变焦透镜系统的出光角度（1/10峰值角）的变化范围为21°~38.6°,且3种颜色LED交叉排列的混色效果较好。由LED阵列的计算结果可知,与国内现有的大功率LED舞台灯具相比,在出光角度的变化范围和光能利用效率方面都得到了提高。     

用于CF-LCoS LED照明的大角度复眼系统共轭成像优化设计

根据LED发光特性以及彩色滤光片式硅基液晶芯片特性,从成像光学的角度导出了复眼照明系统的基本成像公式.在此基础上由彩色滤光片式硅基液晶芯片目标区域的大小及其对光束入射角以及LED经整形以后的光斑尺寸与发散角的要求,根据推导的复眼系统的基本成像公式计算彩色滤光片式硅基液晶芯片复眼照明系统的初始结构,利用复眼照明系统中的多重共轭成像关系,将复眼成像,中继透镜成像分别优化,最后将两者通过孔径与中间像匹配的基本要求进行复眼阵列组合,设计了基于彩色滤光片式硅基液晶芯片的大照度入射光下的复眼照明系统.该系统以较小的复眼数,在保证彩色滤光片式硅基液晶芯片照明要求的条件下,较好地解决了照明系统效率、均匀性与大角度问题.与传统计算方法相比,该方法简单明了.非成像软件的模拟结果证明该方法准确,均匀性好,效率高.实验样机结果验证了本文所提方法的正确性和有效性.     

用于CF-LCoS投影偏置LED照明光棒的角度分割原理及其偏振复用系统

研究了LED相对光棒中心位置存在偏置时光棒对LED的角度分割与虚像形成原理,籍此计算了不同偏置以及不同尺寸LED的光棒尺寸,再将计算所得的光棒与前端成像透镜、中间像面偏振复用系统、后端积分透镜及偏振分束器等进行综合优化设计,然后根据所得中间像确定不同情况下的偏振复用系统具体结构,确保LED发散角范围内光能的偏振复用,并实现对滤色片式硅基液晶芯片的均匀照明.最后设计了一款以白光LED为光源的滤色片式硅基液晶芯片微型投影光引擎,在1W LED功耗下实现12.8lm投射亮度(114lm/W),均匀性达93%.对比没有应用偏振光复用的微型投影光引擎,在保证均匀性的前提下,提升了微型投影系统的光效率,丰富了光棒偏振复用的内容.     

基于菌落挑选仪的暗视场照明的优化设计

针对高通量菌落挑选仪研发的照明设计,采用暗视场照明方式,在保证照度均匀的同时大幅提升了所采集菌落图像的对比度,以提高仪器整体性能。分析了影响照度均匀度的三个重要因素,LED环形光源中灯珠的投射角度、LED环形光源的阵列层数以及LED环形光源距目标面距离。模拟结果表明,当灯珠投射角度为75°、LED环形光源阵列为三层以及LED环形光源距目标面距离为61cm时,照度均匀度最优为93.16%。采用所设计的暗视场照明方式搭建实验系统,实验结果达到项目要求,并与软件模拟结果相匹配。     

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。     

3片独立自由曲面式LED汽车近光灯光学设计

为了使车辆驾驶员在夜间能够得到充足的照明,并且避免对面会车司机眩目,设计了具有明暗截止线的近光系统。根据GB25991 2010汽车用LED前照灯配光标准,尝试使用大功率白光LED和结构简单、光学利用率高的自由曲面反射镜（FFR)来实现前照近光灯的设计。以非成像光学为理论基础,建立了LED光源出射光角度和照明面上坐标的对应关系,结合折反射定律计算自由曲面上点的坐标。合理划分基础面,并优化调整各子面的面型数据,实现配光要求。采用3颗LED共同实现近光功能,每颗LED均有各自独立的光学系统。测试结果表明:设计的光学系统效率达到54%,且近光截止线清晰,满足标准对各测试点照度的要求。     

基于微分方程数值解的自由曲面透镜的设计

为满足目标面上均匀照明的需求,设计了一款自由曲面透镜。根据LED光源的发光特点,结合光学成像的特性,非成像光学原理和能量守恒定理,推导出实现光能量在目标面上均匀分布的自由曲面面形的微分方程,采用matlab的ode算法求出面形上的离散坐标点,对离散坐标点拟合后得到透镜模型,通过光学模拟仿真软件对透镜模型进行光线追迹。结果表明,配光角度为80°的透镜,透镜的口径与光源发光面宽度之比大于等于9时,目标面上的照度均匀性大于0.9,光能利用率约为85%。该设计方法可以快速精确地设计出所需的透镜,而且透镜结构紧凑,单颗就能实现均匀照明,有利于LED光源照明系统的小型化。     

多边形棒状透镜出端辐射均匀性的研究

研究了用多角形棒状透镜产生高均匀性正方形和圆形照明的最佳结构参量.结果表明,对于正方形棒状透镜,输出端的照明均匀性随透镜的长度振荡变化,在某些特定长度达到极小值.对于圆形照明面积,比较了从三角到八角的六种多边形.利用三角形积分透镜可以获得最佳的照明均匀性,但光能利用率相对较低,六角形积分透镜可同时获得较高的照明均匀性和光能利用率.     

多椭球投射式LED前照灯光学设计

LED光源具有寿命长、点亮速度快、节能等优点,非常适合作为新一代的汽车前照灯的主要光源。研究了使用LED光源和多椭球反射镜的投射式前照灯的设计方法,建立了光学系统模型。阐述了反射镜、挡板、透镜的设计思想。采用Cree xre-7090 LED作为光源,并在此基础上采用ASAP进行了计算机模拟。结果表明,可产生宽广但不高的光型,明暗截止线清晰。     

Optical characteristics of LGP depending on the scattering pattern orientation for flat-type LED lighting

In flat-type light-emitting-diode (LED) lighting systems, a planar light is formed using a luminance source positioned on the side of the system and light guide panel (LGP) or reflecting plates. Thus, such systems are favorable for their thinness, which allows a relatively small number of LEDs to be used. However, the application of a high-power LED light to a large-area lighting system yields Lambertian luminaires; therefore, a point or a discomfort glare is produced, which generally causes degradation of the luminance efficiency and uniformity. In this study, we solved the problems of luminance non-uniformity and inefficiency by adjusting the orientation of an applied LGP scattered pattern and removing the remaining glare. Through computer simulation, optical characteristics that increase the efficiency even in the case of low-output LEDs were found. Specifically, a scattered pattern vertically oriented relative to the direction of the incident light improves the luminance uniformity at the side of the system, while a scattered pattern oriented parallel to the direction of the incident light plays the role of a waveguide. We implemented a flat-type LED lighting system by fabricating a large-area LGP based on the computer-simulation results and using an extremely sensitive laser. The optical characteristics observed using the laser-processed LGP were identical to those obtained in the computer simulation. Therefore, for large-area flat-type LED lighting systems, we confirmed that adjusting the orientation of the LGP scattered pattern can increase the luminance efficiency and uniformity.     

Optical design and analysis of illumination system based on augmented reality北大核心CSCD

照明系统是增强现实光学系统的重要组成部分,其体积、照度均匀性、能量利用率直接影响增强现实照明系统的质量,因此在照明系统中对光源二次配光非常重要。针对增强现实系统的自由曲面透镜形式和照明系统开展研究,重点分析准直系统集光角度与体积的对应关系,在对光源准直系统的面型构建详细分析基础上,对中心透射边缘反射的折反射式准直系统的面型进行求解,结合偏微分方程法和划分网格法,设计了自由曲面透镜,该系统与偏振分光棱镜共同组成硅基液晶（liquid crystal on silicon,LCoS）照明系统。仿真分析结果表明:系统照度均匀性达到91.96%,若不计偏振影响,照明系统光学效率达到66.6%。该系统具有结构简单紧凑、体积小、质量轻、照度均匀性高等特点,满足增强现实眼镜的需求。     

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.