面向大功率LED集成光源的反射器设计方法

分析了传统光学设计方法中将LED光源近似为理想点光源的设计方法的局限性,基于非成像光学中的边缘光线理论,提出了一种面向大功率LED集成光源的均匀照明反射器的光学设计方法,在集成光源与接收面上点的照度之间建立了一种能量对应关系,得到了可以在照明面上实现均匀照度分布的反射器光学模型,最后运用光学仿真软件进行了仿真,并与点光...     

用于室内照明的自由曲面均匀配光透镜设计

以非成像光学为基础,设计了一种在大发散角范围内均匀配光的大功率LED室内照明二次配光透镜方案。采用划分网格法建立光源LED和接收面的映射关系,推导透镜自由曲面面形的一般方程,采用差分法求解透镜面形方程获得面形轮廓数据,再用三维软件建立透镜模型,通过光学仿真软件对所建模型进行光线追迹。结果表明:此方案适用于40°～140°配光角度要求的均匀配光;仿真配光角度120°的照明系统,当透镜的口径与LED发光面直径之比大于等于10时,照明系统的均匀性优于0.9,能量利用率大于92%,且照明效果不受接收面高度的影响。该设计方法为实现大功率LED室内均匀照明系统的小型化和简单化提供了一种有效的途径。     

一种基于LED扩展光源的均匀照明设计新方法

为满足LED均匀照明要求,提出了一种实现面光源下自动优化的设计方法。根据点光源近似理论建立可实现均匀照明的反射器初始结构,用COB(Chips on board)型LED面型光源替代点光源,基于TracePro中Scheme语言编写了自定义均匀照明优化函数,实现了目标面上均匀照明的自动优化设计。模拟结果表明:在光源为直径20mm的朗伯体发光LED时,能够在300 mm处实现均匀照明,照明均匀度(平均照度与最大照度的比值)达到85%以上,光学效率在96%以上。本设计方法简单易用,具有广泛的应用价值。     

面向绿色照明的大功率LED面板灯的光学设计与性能分析

针对现有LED室内照明灯具近场平面照度分布不均匀,眩光及散热问题,提出一种面向绿色照明的大功率LED面板灯结构。该结构灯具的配光设计基于非成像光学理论,通过对LED阵列排布方式的选择和排布距离的计算,来达到照度的均匀性。根据排布距离计算每颗LED坐标,导入光学仿真软件建模仿真,结果表明该面板灯的照度均匀度达到86.6%。最后对实际灯具的光学性能进行检测,证明其各项性能参数均满足室内照明要求,为今后大功率LED照明光学设计提供了有价值的数据。     

自由曲面LED路灯反射器设计

针对LED路灯反射器设计中存在的中心光强较强、两边渐弱、均匀度不高等问题提出了一种新的"V型结构"光学反射器,该结构的反射器将每一个路灯覆盖的照明区域等分成两部分.由能量守恒原理建立起LED光源出射光线的角度与照明平面上的坐标的对应关系,根据对应关系计算反射器自由曲面上的点坐标.通过建模软件把诸多点拟合成曲面实体,将实体导入光学软件进行照明仿真.结果表明:该路灯反射器的照度均匀度达到77.85%,可在目标路面上形成照度均匀的矩形光斑.     

基于非成像光学的均匀光强反射器设计

目前,LED的应用越来越广泛,但在信号指示灯或室内照明等领域要求其光强均匀分布.提出了一种实现均匀光强反射器的设计方法,该方法根据能量守恒建立了LED光源与目标面的能量对应关系,采用差分的方法求解反射器面形,并利用光学仿真软件分析研究了反射器的出光角度与其结构参数、光强均匀度的关系.最后设计了一款半角为30°的均匀光强反射器,其光强平台均匀度为0.96,光强平台宽度比为0.86,能量利用率高达99.9％,接受面上光斑的照度均匀性也较好.该反射器同时实现了均匀光强和均匀照度.     

LED小角度照明透镜的设计

小角度照明一直是发光二极管(LED)走向通用照明需要亟待解决的问题。而透镜和反射器则是最常用的配光器件,所以针对LED使用的透镜或反射器的设计是目前照明领域研究的热点。采用几何光学理论计算透镜表面的点坐标,拟合形成表面,旋转拉伸成透镜实体。并以能够实现30和45照明的透镜为例,介绍了透镜的设计过程,并对透镜的性能进行了模拟验证分析。结果显示:这种透镜能够将光源的光汇聚到预先指定的角度内,光能的利用率达到80%以上,照度的均匀度达到了85%以上,这能够很好地满足现代照明的需要。     

硅基液晶投影系统的LED光源照明系统设计

硅基液晶(LCOS)空间光调制器件的特点是反射光成像,要求照明光束发散角小,均匀性好。对此,设计了由抛物型反光碗、复眼透镜、偏振分光棱镜、聚光镜等组成的用于LCOS的照明系统,对抛物反光碗以及复眼透镜各参数的设计原理做了详细分析,具体包括光源出射角度,光源的总体长度,所需均匀照亮的尺寸,抛物反光碗各参数对出射角度的影响,其实现原理主要包括复眼透镜匀光理论。设计要求光源出射角度小于10°,总体长度为220 mm,均匀照明面积为20 mm×20 mm,最后给出聚光透镜组的设计结果,使光线聚焦到LCOS表面,照度值要达到0.35 lx/m2,其不均匀度在15%以内。进一步使用Lighttools软件,对其进行仿真,由照度曲线图和照度栅格图可知,设计结果满足设计要求。     

LED面光源均匀化方法

文章通过半导体发光二极管（Light—emittingdiode,LED）的配光曲线,构建单颗LED的理论模型,设计可实现均匀照度的LED排列方式。基于几何光学和辐射照度理论,对满足均匀照明的LED阵列进行分析,推导光源照射到观测屏上的总辐射照度的表达式,使用光学模拟软件建立LED阵列的模型,利用软件进行光线追迹。通过仿真结果分析LED之间排列间距,光源到接收面间距离等因素对于照明均匀性的影响。     

用于LED的微透镜阵列的光学性能研究

功率发光二极管(LED)的发展迫切需要提高取光效率,微透镜阵列的二次光学设计是改善其光强分布的有效途径.建立了一种大功率LED的封装结构,二次光学设计采用了微透镜阵列技术,运用光线追踪法研究了这种封装结构的光学性能.分析结果表明,利用微透镜阵列技术能显著改善LED的光学性能,改变其光束分布,将LED的照度衰减降低12%以上,从而得到更加均匀的照明系统.     

室内VLC系统光源布局设计

在可见光通信系统中,光源具有照明和通信的双重作用,由于房间的大小以及室内环境各不相同,难免会存在光照射不到或者光线比较微弱的地方,这些地方很有可能成为通信的盲区,这将会大大影响通信的质量,为了解决阴影效应,需合理对光源进行布局设计,以4 m4 m3 m房间为模型,采用四个LED列阵作为室内光源,将单个的LED光源看做朗伯光源,服从朗伯辐射模型,通过公式计算结合软件仿真分析对比得出了采用99大小的LED列阵,列阵距离屋顶边缘0.4 m,LED光源间的间距为0.03 m时,在满足国际室内照明标准的前提下,在距离屋顶2.25 m的4 m4 m接收平面上光照度分布最均匀,其均匀度达到90.4%。该光源列阵布局模型可推广到任意尺寸房间,为室内办公照明中光源的布局提供了一种可行的方案。     

Freeform optical element for uniform illumination

The energy from a source was rearranged through reflection or refraction by a freeform optical element in order to get the desired uniform illumination.The numerical results of first-order partial differential equation sets had been investigated to obtain the freeform optical element, and the equations could be used to get the characteristics of the light source and the desired illumination. For example, a light emitting diode (LED) with a Lambertian light emitting surface of 1 mm × 1 mm was applied as the light source. Two kinds of freeform reflectors and one freeform lens were designed for different illuminations, and the simulated uniformity was near to 90%. Considering the size of these freeform optical elements, the illumination system can be very compact and efficient if the freeform optical element is applied in the illumination system of projectors with LED as source.     

基于菌群算法的飞机铆钉表面缺陷检测系统光源优化控制

由于飞机铆钉缺陷检测系统的光照效果对缺陷检测质量发挥着关键作用,因此本文对其照明系统进行优化。以被测零件背景图像灰度的均匀度为优化目标,在拟合LED点光源照度分布函数的基础上,利用菌群算法对光源系统参数进行寻优运算,根据寻优结果对光源系统进行结构优化同时对各LED点光源进行功率控制,并通过光学元件进一步提高优化效果。实验结果表明:优化后光照均匀度在95%以上,满足铆钉检测的光照要求。该方法实现了照明系统对铆钉顶圆面均匀照射的效果,成像质量显著提高。     

Designing Uniform Illumination Systems by Surface-Tailored Lens and Configurations of LED Arrays

Light-emitting diodes (LEDs) are gradually becoming the preferred choice for many lighting applications that require uniform illumination distribution. LED sources are usually composed of several individual LEDs which must be mounted on a panel as a lighting module. Therefore, the design is quite important for achieving a good uniform illumination distribution before a LED lighting module is produced. This paper presents a theory and design method by systemic concepts and focuses on the study of optical properties. We can design, efficiently, a LED lighting module and achieve a satisfactory uniformity by this theory and method, the design of a uniform LED illumination system. By this method, we not only obtain the maximally flat illumination distribution but also the emitting angle of the system can be designed at will. This method and theory will offer a preferable choice when LED lighting modules become the main stream for the lighting market in the future. Here, the light source is approximately defined as a point light source with cosine irradiance distribution.      

一种带有曲面底板的直下式LED平板灯设计

针对直下式LED平板灯均匀度低且厚度大的缺点,提出了一种带有曲面底板的直下式LED平板灯,采用Taguchi方法设计,并通过TracePro软件进行仿真模拟,对影响直下式LED平板灯照度均匀度和平均照度的参数因子进行分析,并运用ANOVA理论分析出各因子对品质的影响程度,优化各项结构参数,以设计出符合要求的产品,并通过实验对模拟结果进行验证。结果表明:LED芯片排布方式对照度均匀度和平均照度的影响程度都最大,分别有47.4%和50.2%的贡献度。当芯片选择正六边形排布,倾斜角度为30,平板灯无微结构,混光距离为25 mm,得到最优化照明效果。扩散板照度均匀度达到88.3%,与实验结果基本一致,厚度相对于目前直下式平板灯减少37.5%以上。模拟得到的会议室照明效果满足国家建筑照明设计标准,所得结果为设计直下式平板灯提供理论依据。     

直下式LED平板灯的均匀照明设计

针对超薄LED 平板灯导光板价格昂贵以及传统直下 式LED 平板灯厚度厚和LED 数量多等 问题,设 计了新型直下式LED 平板灯。基于边缘光线理论,对光源和目标面进行网格划分并形成映射 关系,由Snell 公式推导出内外自由曲面的微分方程,采用迭代法计算出内外自由曲面数据,设计实现适用 于直下式LED 平板灯的大角度二次光学透镜。研究表明:双自由曲面大角度透镜可实现对LED 150°的大角度配光,其照 度均匀度为0.86,且能量利用率为99.5%。在 不同厚度下,利用大角度二次光学透镜的LED单元阵列距高 比(D/H)约等于3时,目标面上的照度均匀度均达到0.88以上。通过对新型直下式LED平板灯照明效果 进行模拟,结果完全满足国家建筑照明设计标准,且LED的使用数量为相同功率下传统直下 式LED平板灯的30%,减小了20mm的厚度,大 大降低了LED平板灯的生产成本。     

实现大范围均匀照明的LED透镜二次光学设计

提出了一种新的、利于实施计算的实现大范围均匀照明的LED灯具透镜设计方法。基于能量守恒定理和光线折射Snell定理,通过Matlab编程计算出自由曲面透镜坐标点。借助CAD软件和光学模拟软件Tracepro,模拟了自由曲面透镜的具体应用,在光源高为3m,接收面直径为10m的圆形照明区域,得到了均匀度达80%以上的照度分布,该设计可以应用在商场、工厂等室内照明灯具上。     

一种面向LED扩展光源的道路配光设计

在多车道的道路照明中,需要非对称矩形配光。本文根据非成像光学理论,建立点光源空间与目标照明面之间的拓扑关系,采用合适的反馈优化方法,获得面向扩展光源且在路面上形成均匀非对称矩形光斑的反射器,仿真结果表明,配光后光源的能量基本上被限制在20m×12m的矩形区域内,且实现了非对称的配光,横向照度均匀度达到了85%,纵向照度均匀度达到了80%,满足道路照明要求;并且通过开模实际测试出整体的照度均匀度为80.13%,验证仿真结果以及证明了设计方案的可行性和反射器在路灯灯具中的实用性。     

Scheme语言的LED自由曲面透镜快速建模方法

传统的自由曲面透镜建模通常需要多个软件共同协作完成,其建模过程繁琐,且由于不同软件之间的不兼容会导致模型在导入光学仿真软件时出现微小形变。提出一种在光学仿真软件中利用Scheme语言直接进行快速建模的LED自由曲面透镜建模方法。根据光源辐射特性和需要实现的照明面上的能量分布,采用划分网格法,利用Snell方程和能量守恒定律, 沿经纬方向分别迭代求解, 在得到自由曲面各节点坐标后,分别采用3D建模软件和Scheme语言编程构建透镜模型。通过光学仿真软件,模拟计算了100万条光线,直径1mm的光源在距离地面10 m、面积为40 m10 m的照明区域内的照度分布。结果表明:利用Scheme语言在光学仿真软件中直接快速建模避免了模型从3D软件导入光学仿真软件时产生的微小形变从而使光照均匀度由67%提升到93.5%。同时Scheme语言编程建模仅需5 s,建模速度远高于3D建模软件。     

兼顾照明的可见光MIMO通信系统模型

可见光通信要同时兼顾照明和通信的双重作用,因此需要同时考虑光源布局及通信可靠性问题。为保证国际照明标准,在总LED灯珠不变的情况下,首先对光源布局进行了分析并数值计算了在同样功耗条件下3个及4个阵列布局方式的照度分布及均匀性。其次,为了提高多阵列可见光通信系统有效性及可靠性,将MIMO技术应用于VLC中,采用STBC编码数值计算了多阵列布局方式下系统可靠性。结果表明,在同样功耗条件下,4个阵列的MIMO系统照度均匀性较3个阵列提高了20.9%,当误码率为10-4时,41系统较31系统的误码性能大约可提高2 dB,42与32系统分别较41与31系统误码性能提高了6 dB与5 dB。