自由曲面的LED路灯透镜的设计

LED的二次光学元件设计对LED路灯的配光及光学输出效率至关重要.良好的道路照明要求LED路灯的配光为长方形的光型,路灯发出的所有光刚刚可以覆盖住马路,而马路之外的光污染几乎为零.非对称自由曲面二次光学元件的采用可以使LED路灯的长方形配光直接在单个LED模组上完成.整体路灯只需要将这些LED模组阵列按照相同方向简单地排列即可,从而可以简化路灯机构、散热及控制电源的设计.介绍了LED路灯的光学设计,及一种用于LED路灯的自由曲面二次光学透镜的设计方法.     

基于补偿法的均匀照明自由曲面LED反光杯设计

根据面向理想光源的设计原理,提出了基于能量补偿和坐标迭代的自由曲面母线求解方法。在二维坐标系中建立系统模型,由反光杯反射光对直射投射光进行补偿,将反光杯右上边缘的光线反射到目标面左边缘,且随着光线下移反射光线逼近目标中心。根据Snell定律,以上边缘点为初始点,逐一迭代得母线上各点坐标,旋转或拉伸生成所求反光杯。在Tracepro软件中的模拟结果表明对圆形或正方形目标照度均匀性均优于85%,且系统能量利用率仅由LED出光角度和反光杯反射系数决定,该结构可使LED光源用于大范围照明。     

一种实现LED均匀圆斑照明透镜的自由曲面设计

由于大多数LED的发光特性表现为朗伯光源,文中提出一种实现LED均匀照明的透镜设计方法。建立了能产生均匀光斑的自由曲面透镜方程,通过Matlab编程得到数值解,并通过建模软件Pro/E建立了透镜模型,最终采用Tracepro进行模拟验证。实验结果表明,利用此方法给LED进行配光,可使照明目标面获得均匀的照度。     

基于经纬划分和切面迭代的自由曲面LED透镜设计

根据非成像光学原理,提出了基于经纬划分和切面迭代的自由曲面求解方法。先在三维坐标系中建立自由曲面与目标面的相对位置模型,并对自由曲面沿经纬方向角度均分;再根据自由曲面各经纬带上能量与目标面各微带上能量对应相等,实现目标面网格划分并求得与自由曲面各网格对应的目标节点坐标;选取自由曲面初始网格节点,利用Snell方程和切面迭代法,沿经纬方向分别求解,得自由曲面各节点坐标,即可拟合成所求自由曲面。对用该方法设计的LED透镜进行模拟,结果表明对于目标面为轴对称区域的均匀照明,该方法可快速精确地获得对应的光学系统,使得LED光源能够广泛应用于道路照明系统中。     

激光光源汽车前照灯自由曲面反射器设计EI北大核心CSCD

文中针对激光前照灯的光学结构设计困难和能量利用率低的问题,以球面最优传输理论为基础,提出了一种新的自由曲面反射器设计方法。该方法基于支撑曲面的结构,针对扩展光源进行了优化,有效抑制了目标照明区外的照度,实现了清晰的明暗截止线。文中根据GB 25991—2010标准,设计了适用于激光前照灯(含近光灯和远光灯)的自由曲面反射器,并使用扩展朗伯光源进行模拟仿真。仿真结果表明,配光屏幕上各测试点和测试区域的照度均符合法规要求,反射面连续光滑,能量利用率分别为96.96%和97.80%。通过实现高能量利用率的结构,减少了汽车前照灯的功耗,利于汽车前照灯的散热设计,延长了激光光源使用寿命,并为设备的生产加工带来便利。     

LED路灯矩形均匀照明方法综述

传统路灯照明的历史和现代路灯照明的发展,并总结了三类LED路灯实现矩形照明光斑的方法,分析了它们的照明效率,指出了LED矩形光斑路灯是未来道路照明的主要趋势。     

用于LED 平板灯面板均匀照明的自由曲面透镜设计与实现

设计了一种PMMA自由曲面透镜,用于无导光板结构的LED平板灯。该透镜基于自由曲面透镜的折射和全反射原理实现出射光的重新分布,可用于均匀照明LED平板灯的出光面板。采用数字仿真和实验制作进行设计。仿真结果表明,当自由曲面透镜与出光面板的距离为5 mm、自由曲面透镜旋转为0、LED与自由曲面透镜的距离为7 mm时,LED平板灯出光效率较高且整灯均匀性达96.6%。实验结果表明,所设计的自由曲面透镜可使无导光板结构的LED平板灯的面板均匀性达95.74%,与数字仿真近似相等。     

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.     

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。     

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...     

自由曲面LED汽车前照灯光学透镜设计方法

由于LED配光特性不同于传统光源,为了将LED 应用于汽车照明中需对LED 进行二次光学设计。文中根据LED 汽车前照灯的配光特性,提出了一种自由曲面LED 汽车前照灯光学透镜的设计方法。首先由能量守恒原理,在接收屏上的坐标和透镜自由曲面上的坐标之间建立能量的一一对应关系,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光学透镜曲面各个点坐标的坐标值,并使用三维模型软件制作出透镜光学模型。通过蒙特卡洛模拟法来追迹光线仿真,最后的配光效果完全满足《汽车用LED前照灯》（GB25991-2010）标准,系统的光学效率得到显著提高,可达到91%。     

自由曲面底板的LED 光学设计

提出了一种基于自由曲面底板的LED 配光新方法,采用TracePro 软件设计自由曲面并进行仿真分析。结果表明:将LED 芯片直接贴装在带有自由曲面的底板上,可以获得较大的出光角度,半光强角达到60,比传统反光杯的配光方式获得的半光强角增大25。此外,通过这种新方法可获得高光效和高均匀照度的照明模式,在实现相同的目标平面平均照度时,总光通量比传统配光方式减少25%,照度的衰减减少了60%。通过调节自由曲面底板的形状进行配光,可根据需要获得不同的照明效果,实现高品质的LED 照明。     

基于ZigBee技术的LED路灯节能控制系统的设计

基于ZigBee技术,设计了LED的路灯控制系统,硬件部分主要包括LED灯驱动和调光电路、传感模块电路等电路的设计。基于CC2430开发的传感模块电路和控制电路,可实现对LED电压、电流、环境照度和车流量等参数的测量。软件部分实现的功能有无线传感网络组网、节点与协调器节点的数据通信等功能。同时,设计了上位机监控软件实现监控和管理的功能。系统测试验证了系统的可行性。     

投射式LED汽车近光灯自由曲面透镜设计

根据LED光源的发光特性,设计了一种由椭球反射器、挡板和自由曲面透镜所组成的投射式LED近光灯系统。基于非成像光学理论,建立了LED光源经椭球反射器后的出射光线角度与照明平面上坐标的对应关系,结合折反射定律计算透镜自由曲面上的点坐标,通过建模软件将坐标点拟合成曲面实体而得到自由曲面透镜模型。采用蒙特卡洛光线追迹法进行仿真,结果表明:其配光结果完全满足GB4599-2007标准,而且体积小,视野广阔,边缘区域光能也较高,光线利用率达到95.92%。     

Design of a novel LED collimating element based on freeform surface

A novel element for collimating LED light is designed based on non-imaging optics. It is composed of a refraction lens and a reflector. The upper surface of the lens is freeform and calculated by geometrical optics and iterative process. The lens makes the rays in the range of 0°-45°from the optical axis collimated. The rays in the range of 45°-90°from the optical axis are collimated by the reflector. The inner surface of the reflector is parabolic with its focus located in the LED chip. The designed element is applicable to LED source of any emitting type. For a certain application, the simulation results of the designed element in Tracepro show that it has a very compact structure and good collimating performance. Just investigating the loss in the lens surfaces, this element has high light output efficiency of nearly 99%. Most lighting area radii are no more than 20 mm when the illuminated plane is 5 m away from the LED source.     

离轴反射式头戴显示光学系统的自由曲面设计方法

为克服现有离轴头戴显示光学系统设计方法不能直接设计全视场全孔径自由曲面反射镜的问题,提出了基于马吕斯定律的自由曲面三维直接设计方法。首先根据马吕斯定律求解自由曲面在全视场和全孔径范围内的所有特征数据点,然后将特征数据点拟合成用多项式表征的自由曲面,直接获得成像质量良好的自由曲面离轴系统初始结构,最后利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化,确定最佳拟合系数,生成所需的自由曲面反射镜,得到离轴头戴显示光学系统最终结构。该方法简化了设计流程,计算效率高。基于提出的方法分别设计了单反射面和双反射面的头戴显示光学系统,单反射面系统的出瞳直径为3 mm,视场角19.12°×14.4°;双反射面系统的出瞳直径为8 mm,视场角23°×16°。设计结果表明,用该方法设计的单/双反射面头戴显示系统,其成像质量良好,系统结构紧凑。公差分析表明,引入公差后单/双反射面头戴显示系统最终可实现全视场调制传递函数(MTF)大于0.3 lp/mm和0.35 lp/mm。     

用于LED均匀照明的自由曲面菲涅耳TIR透镜光学设计

为了提高透镜的散热能力,设计了一种新型全内反射（TIR）透镜,该透镜的出射面中央为自由曲面菲涅耳面。采用斯涅尔定律和全反射定律分别求解TIR透镜折射部分和反射部分自由曲面的面形。同时,采用一种菲涅耳透镜的普适设计方法将折射部分自由曲面转变成菲涅耳面。通过蒙特卡洛光线追迹模拟自由曲面菲涅耳TIR透镜的照明效果,结果显示:当光源尺寸为2 mm×2 mm时,其远场照度均匀性为82%,光效为96.6%,透镜质量为21.94 g。与未加菲涅耳面的TIR透镜相比,带自由曲面菲涅耳面的TIR透镜在光效仅下降2%,在照度均匀性未变的情况下,透镜质量减少了约20%。这说明对TIR透镜的自由曲面出射面进行菲涅耳化可明显地缩小透镜的体积和质量,缩短光线在透镜内部的光程,因此可有效提高透镜的散热效率和使用寿命,同时保持良好的照明效果。     

自由曲面变焦的内调焦式光学系统设计

具有调焦功能的光学系统在空间探测领域中有着重要的应用需求。设计了一种基于自由曲面垂轴偏移的内调焦光学系统,该系统中采用特殊自由曲面面型结构,构建自由曲面透镜组,利用垂轴偏移的变焦特性,改善光学系统的成像位置,提升在空间环境多样性和宽物距成像的适应性能力。具体分析了自由曲面透镜组的调焦原理,并成功将自由曲面透镜组应用到焦距为100 mm的光学系统中,分析像距扰动和物距变化两种情况下的成像质量和偏移量。结果表明,光学系统的调制传递函数在奈奎斯特频率处大于0.3,满足成像要求,该系统具有成像性能稳定和微米量级补偿量等特点。