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。     

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。     

基于均匀照明的LED反射器的设计

为了创造良好的视觉环境,并提高光能利用率,设计了一种基于均匀照明的LED反射器。之所以选用球面环形阵列LED光源,第一是为扩大照明范围,其次是为了避免面光源垂直照射产生光强过强而导致的眩晕。设计的反射器是运用划分网格的方法获得自由曲面面型,运用机械建模软件拟合曲面的实体模型,进行了照明仿真模拟及分析。结果表明,与传统的反光器相比,自由曲面的反射器能较大程度地利用光源发出的能量,而且均匀性也有很大的提高。     

一种实现大功率LED均匀照明的投射器设计

以特定区域的均匀照明为目标,设计一种以单粒LED为光源的均匀投射系统。根据LED的发光特性以及能量守恒定律选择采用折射 全反射(TIR)光学系统,通过建立TIR折射面及全反射面轮廓曲线上的点所满足的常微分方程,利用Runge Kutta求解常微分方程得到轮廓曲线上点的坐标,再在UG中对坐标点进行曲线拟合得到轮廓曲线,进而得到TIR模型及适合数控加工的面形数据。将TIR模型导入Tracepro并对投射系统追迹光线。模拟结果表明：目标平面的光照均匀度达到92.6%,系统的效率达到91.8%。     

实现均匀照明的自由曲面反射器

通过单个自由曲面反射器的反射,令光源发出的能量重新分布,在特定照明面上实现所需照明,从而简化了投影设备中的照明系统,使设备的进一步小型化成为可能。根据给出的光源辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,可得到一组偏微分方程,数值差分求解直接得到自由曲面反射器。光源采用发光面积1 mm×1 mm朗伯体发光的LED,视角为120°,照明面为4:3的均匀矩形光斑。设计了两种自由曲面反射器,并用软件对得到的曲面进行了照明模拟,模拟得到的照明均匀性接近90%。两种反射器在光轴方向上的投影尺寸均小于25 mm,垂直光轴方向上投影长度均小于22 mm,照明系统总长均小于40 mm,结构紧凑,适用于小型LED投影设备。     

基于LED阵列与漫反射自由曲面的均匀照明光源设计

提出一种由平面LED阵列与高漫反射率自由曲面构成的间接照明方式。基于LED光源与理想漫反射表面的朗伯特性,构建照明系统的数学模型。根据目标平面预期的光强分布,建立一组微分方程,利用数值方法求解得到漫反射自由曲面的面形轮廓,通过光学软件对该漫反射光源系统实体模型进行非序列光线追迹仿真,模拟结果显示检测区域辐照均匀度达到90%以上,验证了该方案设计均匀照明光源的正确性与有效性。     

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.     

一种新型的基于非成像光学的LED均匀照明系统

为解决发光二极管(LED)作为朗伯光源难以直接应用的问题,运用非成像光学设计方法,实现了一种新型的基于LED的均匀照明系统,它能够在一个特定位置的屏幕上形成一个具有特定尺寸的均匀圆形光斑。使用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件对该光学系统进行模拟仿真,结果显示屏幕上光斑的均匀度优于85%,系统效率高于82%。     

基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计

针对发光二极管(LED)光源的发光特点,根据非成像光学的光学扩展量理论建立了获得均匀照明反射器的一般方程,实现了在特定目标面上的均匀照明,进而依据该方程设计了用于体视显微镜的LED照明系统.利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明在Φ90 mm的范围内照度均匀性达到90.6%,不考虑反射率损失时能量利用率可达到99.6%.该设计方案采用单一反射器实现均匀照明,为实现照明系统小型化和简单化提供了一种有效的途径.     

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。     

基于近场均匀照明的LED阵列的优化设计

基于几何光学与辐射照度理论,对菱形、环形和蜂窝状等3种典型LED阵列光源在近场上的照度分布进行研究,推导了不同阵列光源照射到目标面上的总辐射照度表达式,并依据斯派罗法则确定了LED间的最优化距离。进而根据照度公式,对LED阵列进行了仿真和对比分析,得出了不同阵列的光照度分布特点。菱形阵列可以得到较大范围的平坦度,环形阵列的平坦范围较小,能量集中分布在一个圆形范围内,有良好的集光效果,蜂窝状阵列的照度比较集中且占用的面板空间较小,可在一定程度上降低设计成本。     

基于近场均匀照明的LED阵列的优化设计

基于几何光学与辐射照度理论,对菱形、环形和蜂窝状等3种典型LED阵列光源在近场上的照度分布进行研究,推导了不同阵列光源照射到目标面上的总辐射照度表达式,并依据斯派罗法则确定了LED间的最优化距离。进而根据照度公式,对LED阵列进行了仿真和对比分析,得出了不同阵列的光照度分布特点。菱形阵列可以得到较大范围的平坦度,环形阵列的平坦范围较小,能量集中分布在一个圆形范围内,有良好的集光效果,蜂窝状阵列的照度比较集中且占用的面板空间较小,可在一定程度上降低设计成本。     

一种基于同步多曲面方法的LED定向照明设计

提出了一种对大功率LED出射光实现定向控制的投射器设计方法。根据LED的出射光分布以及预定的光分布范围选用折射-全反射(TIR)光学系统。首先利用光学扩展量守恒以及同步多曲面方法求得TIR各折射面和全反射面轮廓曲线上点的坐标,然后再在UG中对坐标点进行曲线拟合得到轮廓曲线,进而得到TIR模型及适合数控加工的面形数据。结果表明:用该种方法设计的投射系统结构紧凑、光能传输效率高;能有效地实现对LED出射光的收集和定向控制;有助于LED的应用和照明系统的后续设计。     

光纤照明用LED耦合装置设计

光纤照明用LED光源耦合装置多采用透镜组,其汇聚光斑小,但透镜组光能损失大。针对LED光源发光特性及聚合物光纤孔径大的特点,提出LED灯珠侧式安装和反射器切割移位优化法,设计一种基于椭圆反射器的光纤照明用LED耦合装置。运用John OFarrell的逼近算法计算出不同偏心率的椭圆反射器结构参数,结合光纤光学参数仿真比较耦合光效,得到一组偏心率和光纤直径匹配的高效耦合装置结构参数,并运用该方法设计了一款光纤直径10 mm、数值孔径0.5的光纤照明用LED耦合装置,其理想耦合光效达93.35%。     

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Etendue和显色特性的内窥镜LED照明系统的设计

根据内窥镜的使用要求,以Etendue的分析为基础,提供了一种内窥镜光纤照明系统。采用多个白光LED (W-LED)作为光源,提高了光通量,并对W-LED缺陷波段进行补色,通过移动补色光中心波长位置和调节光强度,有效地提高了显色指数。采用环形光纤,改善了光场角分布和白光与青色光的混光。给出了理论分析与计算、光学系统的优化设计与仿真的结果。实验得到了远场175.421m的光能量和87.7的显色指数,完全可以满足内窥镜照明系统的使用要求。