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.     

大气激光通信用直锥形光纤发射天线

 提出采用直锥形光纤作为大气激光通信的发射天线,将多模光纤输出的部分相干发散光束变换为准平行光束的方案,既能得到发散角很小的部分相干激光光束,又能保证激光器输出能量的完全传输。采用光线追迹法分析了任意光束从锥形光纤小端面输入、大端面输出的发散角。结果表明,当直锥形光纤长度大于某一特定值时,从小端面输入的入射角小于数值孔径角的所有光线理论上都可以变换为出射角度小于光纤半锥角的光线,因此直锥形光纤可以作为部分相干光源的准直透镜,代替传统的凸透镜,用于改善光束的发散角。对远场光斑进行了数值模拟和实验研究,结果显示：直锥形光纤透镜对朗伯光源的准直光束比传统凸透镜的准直光束发散角小,光斑半径小且均匀性好,证明用此方法可以得到低发散、低空间相干性的光斑。     

基于COB LED的均匀光强分布可见光通信系统发射端的光学设计

针对光线在大角度偏转时菲涅耳损耗大、光强均匀性差等问题,提出了基于最优双偏转能量映射和贝塞尔曲线多参数优化的双自由曲面透镜设计算法,并利用该算法设计了基于板上芯片型(COB)发光二极管(LED)的双自由曲面透镜,该透镜可应用于可见光通信系统的光学发射端。以大面积发光面的COB LED作为光源,通过控制自由曲面透镜内外两个表面上的入射光线偏转角的比例关系(即偏转系数),可降低菲涅耳损耗。构建了出光角分别为180°和260°的大角度均匀光强分布的双自由曲面透镜,其光强均匀度分别为0.92和0.90,其光能利用率分别为89.4%和85.9%。将单自由曲面透镜和双自由曲面透镜的光学性能作对比,结果表明,单自由曲面透镜可实现出光角范围为120°~180°、光强均匀度超过0.85以及光能利用率超过85%的光分布,双自由曲面透镜在达到同样的光强均匀度和光能利用率时,可实现出光角范围为100°~260°之间的均匀光强分布。因此,利用双自由曲面透镜能够实现更大范围出光角的均匀光强分布,从而满足可见光通信系统的光学发射端的光分布要求。     

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。     

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.     

新型LED汽车前照灯光学系统设计

利用圆环形LED光源阵列结构,结合反射杯与自由曲面透镜的混合型配光,设计了可以实现对汽车前照灯远光和近光同时配光的光学系统。对经反射器聚光后的光线及配光屏幕进行了适当的网格划分,根据能量守恒定律,建立了出光角、自由曲面透镜与配光屏幕之间的坐标关系。结合折射定律,通过迭代计算得到自由曲面透镜上的点坐标,并使用三维建模软件得到透镜模型。利用Tracepro软件对光学系统模型进行了光线追迹。结果表明,所设计的光学系统可以同时满足GB 25991-2010《LED前照灯标准》对LED前照灯远光和近光的配光要求,与传统的LED前照灯相比,能耗可降低至原来的75%。     

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。     

基于双自由曲面高距高比照度均匀的光学系统设计

为了解决常规照度照明系统中存在的透镜厚度厚和照度不均匀等问题,设计距高比(DHR)为3的双自由曲面透镜。根据能量映射理论对光源与目标面进行网格划分,利用边缘光线理论和斯涅耳定律构造双自由曲面透镜,并采用实际光源进行模拟。与单自由曲面透镜相比,双自由曲面透镜的厚度减小2.95%,透镜的横向尺寸减小10.50%。采用互补反馈校正法对透镜进行优化,优化后的单、双自由曲面透镜的照度均匀度分别为80.48%和87.05%,能量利用率分别为88.61%和91.23%。与单自由曲面照明系统相比,双自由曲面透镜的光学性能均有所提高。对于高DHR和透镜尺寸很小的照明系统,可以实现较高的照度均匀度和能量利用率。     

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.     

基于定抛物面调制的直下式匀光照明透镜设计

对于近场大角度的匀光照明系统,透镜的一般设计方法是采用内表面为球形的自由曲面透镜设计,计算的自由曲面透镜只需考虑一次折射。但是当角度达到一定范围时,在透镜的内表面容易发生全反射,导致目标面照度不均匀。为了在近场照明系统中得到更大角度的配光,提出一种以合适的抛物面作为自由曲面透镜的内表面的设计方法,内抛物面先对光源的能量进行一次扩散,再计算自由曲面面型,通过模拟仿真,实现了在距离光源15 mm处形成半径40 mm的光斑,均匀度达到95%,能量利用率达到97.8%,相对于传统的直下式透镜,提高了照明的均匀度,同时减少了箱体的厚度。     

基于近场侧面均匀照明的LED投射器研究

在LED双面平板照明灯具中,为实现侧入式近场均匀照明,研究了一种LED柱面透镜阵列自由曲面投射器。根据非成像光学理论中的边缘光线原理,采用直接法和重叠法设计投射器的表面形状,利用反射旋转面和折射旋转面以及柱面透镜阵列将LED光源发出的朗伯光重新分配。建立侧面近场均匀照明的柱面透镜阵列自由曲面投射器模型,用TracePro软件对所设计的模型进行光线追迹仿真,结果表明,当不考虑反射损耗时投射器的出光效率达到96.03%,在投射器侧面的面板上面积为240mm×360mm的照度均匀度达到95.6%。     

紫外光LED固化面光源光学系统设计

为解决紫外光LED固化面光源光斑均匀性差及辐照强度低的问题,提出一种阵列式紫外光LED固化面光源光学系统的设计方法。基于几何光学及菲涅耳定律等相关理论,完成近朗伯光型LED透镜自由曲面轮廓线的推导,结合理论公式计算出透镜阵列排布时透镜之间的最佳间距。结果表明:透镜有效控制了光线的发散,提高了阵列面光源所产生光斑的辐照强度及照度均匀度,使阵列结构更加紧凑。当光源半值角分别为27.5°和15.5°时,照度均匀度分别为95.3%和98.6%,辐照强度分别是理想朗伯型光源阵列的2.5倍和6.4倍。进一步分析了工作距离和芯片形状及其尺寸对面光源光学系统的影响,并通过实验对模拟结果进行验证,为紫外发光二极管的应用及光学系统设计提供了一定的理论依据。     

基于双自由曲面的LED均匀照明准直透镜设计

基于几何光学、能量守恒定律及菲涅耳定律等相关理论,提出了一种双自由曲面半导体发光二极管(LED)准直透镜的光学设计方法,并给出了构建准直透镜模型详细的算法设计。自由曲面是一种关于中心轴旋转对称的曲面,该曲面的二维轮廓在非均匀有理B样条曲线的方法理论基础上,采用ProE软件搭建而成。通过蒙特卡罗光线追迹模拟发现,相比传统的单自由曲面准直透镜,双自由曲面准直透镜不仅提高了照度均匀性,而且在能量利用率上也有显著的提高。研究结果表明,采用双自由曲面将大大提升准直透镜的设计空间,改善LED透镜的光学性能。     

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。     

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。     

基于扩展光源的LED小角度自由曲面透镜设计

提出了一种基于扩展光源的自由曲面透镜设计算法,运用该算法实现了小角度的均匀照明。在扩展光源与接收面之间建立一种能量对应关系,利用非成像边缘光线法求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,拟合离散点并生成透镜实体。对不同光源尺寸的透镜进行非序列光线追迹模拟,讨论了光源的尺寸对于在均光前提下的发光角度的影响,模拟结果表明,该算法对扩展光源实现均匀照明有较好的适应性,光束的发散角控制在其最小角度。     

基于扩展光源的LED小角度自由曲面透镜设计

提出了一种基于扩展光源的自由曲面透镜设计算法,运用该算法实现了小角度的均匀照明。在扩展光源与接收面之间建立一种能量对应关系,利用非成像边缘光线法求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,拟合离散点并生成透镜实体。对不同光源尺寸的透镜进行非序列光线追迹模拟,讨论了光源的尺寸对于在均光前提下的发光角度的影响,模拟结果表明,该算法对扩展光源实现均匀照明有较好的适应性,光束的发散角控制在其最小角度。     

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.     

自由曲面匀光透镜的建模误差分析及补偿设计

自由曲面匀光透镜被广泛应用于发光二极管(LED)照明中。传统的基于几何近似的自由曲面求解方法,由于存在建模误差,导致求解的面型不够精确,照明面均匀性下降。提出了一种误差分析及补偿方法,通过建立面型误差和出射角度误差之间的联系,结合光线追迹,实现了面型误差的准确量化和修正。采用该方法,针对1000 mm工作距离,直径200 mm照明范围的景观照明透镜进行了补偿设计,并用Lighttools软件进行了仿真。结果表明:点光源模拟情况下,相对于传统几何近似求解方法,照明均匀性(最小照度/平均照度)由68.0%提升到98.5%;1 mm×1 mm尺寸LED光源模拟情况下,在直径160 mm的照明范围内,均匀性达到91.8%,具有良好的实用性。     

LED照明光场照度均匀性的研究

提出了LED面板与梯形高反射率混光筒相结合的匀光方法。单个LED作为近朗伯体发光,其光能输出较低,且发散角较大,难以直接利用。采用多个LED矩阵排列作为光源,增加了光源的有效发光面积和光通量。梯形混光筒内部各面镀有高反射率膜,使得进入混光筒内部的光线无吸收的反射,最后充分混合输出。调整梯形筒的长度可提高出射面上的光照度均匀性。利用TracePro软件对设计系统进行了模拟分析,结果表明出射面的照度均匀性大于90%,能量利用率大于65%,优于FF双焦距光学系统,并且整个系统结构简单紧凑,易于实现,成本不高。