大功率集成封装LED路灯透镜的光学设计

为了实现道路照明所要求的矩形光斑分布,以满足LED路灯照明系统的要求,依据光源特性和路面的光斑分布,通过折射定律建立透镜母线的斜率方程,根据该方程设计了用于矩形光斑分布的LED路灯透镜,采用正交优化方法,利用LightTools软件对所设计的透镜光学系统进行仿真比较研究,得到了一个矩形光斑分布的光学透镜。仿真结果表明,该透镜光学系统在高度为10m的照射条件下,照射面积为40m×10m的矩形光斑,均匀度为0.31。对有光斑尺寸要求的LED路灯透镜来说,该方法提供了一种简单有效的设计途径。     

基于逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜EI北大核心CSCD

采用逆向优化设计的方法设计发光二极管(LED)路灯透镜,提高LED路灯道路照明质量和能量利用率。以城市道路照明标准为约束,优化出最大亮度照度比的理想配光曲线。基于得到的理想配光曲线,透镜采用分离变量法设计自由曲面,将光源和目标面进行网格划分,形成能量对映关系。同时对曲面构造误差进行控制,再利用反馈优化法对透镜进行优化,使透镜的配光曲线趋于理想。仿真实验表明:采用逆向优化设计的LED路灯透镜,能很好地符合道路照明标准,亮度照度比为0.067,同时相对于传统的对称型LED路灯配光曲线节省20.2%的能耗,使LED路灯达到了高照明质量和高能量利用率的目的。     

基于逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜

采用逆向优化设计的方法设计发光二极管(LED)路灯透镜,提高LED路灯道路照明质量和能量利用率。以城市道路照明标准为约束,优化出最大亮度照度比的理想配光曲线。基于得到的理想配光曲线,透镜采用分离变量法设计自由曲面,将光源和目标面进行网格划分,形成能量对映关系。同时对曲面构造误差进行控制,再利用反馈优化法对透镜进行优化,使透镜的配光曲线趋于理想。仿真实验表明:采用逆向优化设计的LED路灯透镜,能很好地符合道路照明标准,亮度照度比为0.067,同时相对于传统的对称型LED路灯配光曲线节省20.2%的能耗,使LED路灯达到了高照明质量和高能量利用率的目的。     

亮度均匀的LED路灯透镜设计与研究

针对路灯照明系统,设计了一种照度均匀和亮度均匀的LED路灯透镜。通过分析LED光源角度分布与目标面照度的关系引用了一种简化的线性校正函数。不同的道路亮度系数,选用合适的K值,设计基于自由曲面的亮度均匀路灯透镜。利用光学软件进行仿真,结果显示中间向边缘逐渐减弱的渐变照度分布有利于路灯照明亮度的均匀。通过注塑成型工艺加工了该透镜,并制作了一盏路灯进行配光和照度的测试。结果表明该透镜设计满足渐变照度分布的矩形光斑照明。采用Dialux软件对路灯照明效果进行评估,显示该路灯透镜设计,横向和纵向亮度均匀性达到0．6以上,满足道路照明的亮度均匀性要求。     

基于自由曲面透镜的LED路灯配光优化设计

为了提高光能利用率和照度均匀性,减小炫光的产生,需要对LED路灯进行二次光学配光设计.本文以空间光折射定律为基础,对LED光线空间和路面区域进行一一对应的网格划分,结合优化的双向迭代算法生成自由曲面透镜,实现矩形光斑输出.仿真结果表明,配光后的LED整体光能利用率为90.4%,能量基本被限制30m×13m的矩形区域内,水平方向和垂直方向的照度均匀度分别为83.2%和71.7%.当LED以30m间隔平行排列时,可以在路面形成宽度约为14m的光斑,垂直照度均匀度提高为77.2%.据此开模制造的LED路灯配光曲线为蝙蝠翼型,横向和纵向±62°和±40°范围内的平均照度分别为31.17lx和25.72lx,满足国家道路照明标准,实验验证了该透镜设计算法的可行性和实用性.     

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LED准直照明的优化设计

为了有效地利用光源能量,满足LED远场照明系统要求,提出了一种实现LED大视场角准直照明的自由曲面透镜设计方法.运用ZEMAX软件序列模式下的多重组态建立透镜结构,在ZEMAX的二次开发环境下,采用宏语言编写自定义优化函数,实现对光学系统的自动优化.通过得到的自由曲面面型数据,借助光学仿真软件进行模拟,模拟光源采用圆面...     

用于LED广告灯箱的自由曲面大角度透镜设计与仿真

基于能量守恒定律和网格划分法,设计了一种实现LED阵列近场均匀照明的自由曲面大角度透镜,其内曲面为椭圆形曲面、外曲面为自由曲面.根据能量守恒定律建立映射关系,对光源和目标面进行网格划分,并结合折射定律,迭代求解出外自由曲面数据点.分析了椭圆形内曲面的长短轴比值对透镜菲涅耳损耗和照度均匀性的影响.结果表明:短轴与长轴的比值在0.35~0.55时,出光效率和照度均匀性最佳.通过反馈优化法对LED阵列进行优化,重新划分网格,使叠加部分光照度减弱,提高了整体光照均匀性.仿真结果表明:仅对透镜外自由曲面的面型数据点进行优化,在目标面高度为80mm,透镜出光角度为157°时,优化后的整体光照均匀度由优化前的0.40提高到0.84,出光效率大于0.9.     

LED路灯室外照明特性与室内模拟关系研究

为了检验软件模拟道路照明特性的可行性,从几种不同配光曲线的LED路灯的仿真结果出发,按照规范的方法实测了它们的路面照度。比较发现,同一路面上各点的照度与仿真值之间有着相同的比值。进一步计算发现,两者的照度均匀度相等。这表明仿真软件能比较准确地反映路灯的路面照明效果。另外,还研究了路灯的光衰性能,发现散热性能好的灯具光衰更慢,寿命更长。     

用于头盔显示液晶像源的透镜薄膜设计与制备

LED已经成为头盔液晶显示的主流背光光源,为了提升LED主视角亮度,减小背光模块的体积,对双自由曲面透镜进行了扁平化设计,形成透镜薄膜,仿真结果表明光线透过透镜薄膜后,存在中心亮度升高、光斑缩小的问题.采用反馈优化方法修改了双自由曲面透镜设计时的能量分布,并重新设计了透镜薄膜,仿真结果表明优化后的光斑尺寸从2.3 mm...     

Optical design of a freeform TIR lens for LED streetlight

Secondary optics is a critical component determining the output efficiency and light distribution of the LED streetlight. A good roadway illumination requires the LED streetlight have a rectangular light pattern just cover the roadway and without excess spill light creeping into yards and shining into windows of neighbor residents. The adoption of the unsymmetrical freeform optics with different light distributions along X and Y directions is necessary. The whole LED streetlight can be constructed if only mounts these LED modules on the planar PCB plate. The mechanism, thermal management, and the power control electronics of the LED streetlight become very simple. In this paper, an optical design approach of a freeform TIR (total internal reflection) lens for the LED streetlight is investigated. With these freeform lenses, high output efficiency, even light distribution, and batwing far field beam angle distribution can be achieved.     

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.     

Design of double freeform-surface lens for LED uniform illumination with minimum Fresnel losses

In this study, we demonstrated a double freeform-surface lens to realize uniform illumination and minimum Fresnel losses for light-emitting diode (LED). In the present design, the inner surface and outer surface of the freeform lens were designed simultaneously, thus the light path can be controlled more flexibly. The detailed calculation and design process were presented. Monte Carlo ray-tracing simulation and Fresnel losses calculation were conducted to validate the present freeform lens. The simulation and calculation results indicated that the present freeform lens could enhance the illumination uniformity greatly and realize minimum Fresnel losses as low as 7.67%.     

基于微分几何的矩形照度分布自由曲面反射器设计

在LED照明应用中为实现矩形均匀照度分布要求,提出了一种基于一阶线性偏微分方程的自由曲面反射器设计方法。基于微分几何理论和折射定律描述了光线与自由曲面的相互作用。根据LED光源特性建立了朗伯光源与矩形被照面之间的能量拓扑关系,推导了自由曲面反射器的一阶线性偏微分方程和边界条件。分别使用Runge-Kutta法和有限差分法对边界条件和偏微分方程进行数值计算,并对计算结果进行光线追迹仿真。仿真结果表明自由曲面反射器光通利用率达到了94%,矩形被照面横向照度均匀度达到了0.9,纵向照度均匀度达到了0.8。程序计算时间少于1s。     

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。     

LED照明系统的光照均匀性设计

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能满足许多场合的照明需求。根据非成像反射器的设计方法,研究了一种以单粒LED为光源的照明系统光照均匀性问题,提出了一种能实现目标平面特定区域内的照度值为常数的光反射器面形设计方法。该方法根据目标平面上的照度分布函数建立微分方程,通过求解微分方程得到反射器面形轮廓的函数,根据该函数建立照明系统的模型,用ASAP对该模型进行光线追迹,得到系统的光照均匀性,并进而确定适合数控加工的反射器面形数据。     

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。     

High uniform illumination of light-emitting diodes lighting with applying the multiple-curvature lens

Light-emitting-diode (LED) sources will play a very important role in the future. Nowadays, there are many traditional light sources gradually being replaced by LED sources. From the viewpoint of illumination, different environments have the same requirement uniformity of illumination. The basic reason for this is to insure human comfort. Therefore, the promotion of illumination uniformity is an especially important key issue. In this article, we propose one effective design to improve the uniformity of illumination of LEDs with Lambertian radiation profiles by inserting into the lighting system, multiple-curvature lens. The enhanced illumination uniformity of LEDs, in this system, is due to energy redistribution by controlling the direction of incident light, using geometrical optics theory. Ray tracing was applied for the simulations required. Finally, the uniformity of illumination is 76.17% in LEDs using multiple-curvature lens, which is twice the uniformity of conventional LEDs. Furthermore, the phenomenon of overload in the multiple-curvature lens is reduced by increasing the numbers of rings on the lens. The overload is less than 0.02 lm in the case of lens designed with 23 rings.