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%。     

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...     

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。     

加工缺陷对非连续自由曲面光学性能的影响

本刊讯 由于大功率LED的朗伯配光特性,往往难以直接满足不同照明要求,需要通过二次光学系统改善其光学性能。自由曲面透镜具有光能量控制准确、出光效率高等优点,已成为LED二次光学设计的主要发展趋势之一。武汉光电国家实验室MOEMS研究部根据改进的算法,设计了一款能实现均匀矩形光斑的LED非连续自由曲面透镜,并制作了PMMA材料与BK7玻璃材料两种样品。实验发现透镜在加工过程中主要存在两种缺陷：微米级表面粗糙度与非连续区域间圆滑构形误差。研究小组结合Monte Carlo光线追迹模拟仿真与实验测试,     

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.     

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。     

独立自由曲面LED汽车前雾灯的光学设计

为了使车辆驾驶员在雾、雪、雨或者尘埃等不同的恶劣气象条件下能够得到充分照明, 且避免造成对方会车司机炫目, 设计了具有明暗截止线的前雾灯系统。基于非成像光学理论, 采用照度优化设计法, 运用数值计算求解出自由曲面反射镜(FFR)各个点坐标的坐标值。合理划分基础面, 并调整各子块的扩散角度, 实现配光要求。通过蒙特卡洛模拟法进行追迹光线, 测试结果表明:配光效果满足机动车前雾灯配光性能(GB4660-2016)对各测试点的照度要求, 且明暗截止线清晰, 体积小, 边缘区域也有较高光能, 光线利用率达到52.7%。     

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,模拟光源采用圆面发光的LED朗伯体,视角为180°,透镜材料为PMMA,点光源模拟得到的发散半角在±0.1°以内,能量利用率在87%以上,实现了较高的能量利用率.     

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%。     

基于有延展反射面的挡光板的多曲面前照灯的光学设计

挡光板是近代投射式汽车前照灯用于调节近光灯配光性能的重要部件。采用聚焦法调整挡光板拐点的位置可以有效地抑制投射式前照灯近光照射时光型截止线上的色差和梯度问题,具有提高驾驶员视觉舒适度和行车安全指标的功能。采用一种基于有延展反射面的挡光板的多曲面LED前照灯的光学设计,使用NX10.0建立结构模型,LucidShape软件进行仿真,配光屏幕最大照度值为51.9 lx。研究基于有延展反射面的挡光板的光学设计与常规挡光板的光学设计的配光差异,以及两者在吉利汽车2017年提出的近光路照标准下两者数据对比情况。结果表明:具有延展反射面的挡光板可以有效提高配光Ⅲ区各点的基础数值,进一步提高行车时道路前方40 m～50 m处的视觉亮度,利于辨清道路前方及行人情况。     

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.     

采用小功率LED的汽车前照灯光学设计

为克服普通灯泡汽车前照灯耗能高、寿命短和现有LED(发光二级管,Light-Emitting Diodes)前照灯成本高的缺点,提出了一套采用小功率LED的汽车前照灯光学设计方案。采用48颗小功率LED,使得每颗LED照亮配光屏上的一块矩形区域。对单颗LED设计自由曲面透镜,光线经透镜出射形成一个矩形光斑。点亮不同的LED以及调整车灯的照射方向可以满足照明要求。模拟结果符合国家标准要求。采用小功率LED比普通灯泡寿命长,比大功率LED前照灯成本低,可靠性强,并且还能部分实现自适应前照灯的功能。     

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。     

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.     

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。     

一种LED汽车前照近光灯配光设计方案

从汽车前照近光灯GB4599-94标准出发,提出了一种LED近光灯的设计方案.该方案采用侧发光型LED为光源,以抛物面作为反射器设计的基础面,根据GB4599-94对近光灯的配光要求在ReflectorCAD中划分基础面,并合理调整各子面的面型数据,使光源经各子面反射后在配光屏上的光照分布满足配光要求.结果表明:采用400 lm侧发光LED和恰当的光学照明系统能完全满足GB4599-94标准对汽车前照近光灯光照分布的要求.限于400lm侧发光LED尚未商品化,采用40.5 lm侧发光LED,通过10组LED-反射器模块叠加逼近此配光方案.     

一种LED汽车前照近光灯配光设计方案

从汽车前照近光灯GB4599-94标准出发,提出了一种LED近光灯的设计方案.该方案采用侧发光型LED为光源,以抛物面作为反射器设计的基础面,根据GB4599-94对近光灯的配光要求在ReflectorCAD中划分基础面,并合理调整各子面的面型数据,使光源经各子面反射后在配光屏上的光照分布满足配光要求.结果表明：采用400 lm侧发光LED和恰当的光学照明系统能完全满足GB4599-94标准对汽车前照近光灯光照分布的要求.限于400 lm侧发光LED尚未商品化,采用40.5 lm侧发光LED,通过10组LED-反射器模块叠加逼近此配光方案.     

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.