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.     

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。     

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。     

非球面内表面调制的自由曲面配光透镜设计方法

传统自由曲面LED配光透镜由于在自由曲面求解时存在误差,往往导致最终配光效果不理想。为了进一步提高配光效果,提出基于非球面内表面调制的自由曲面配光透镜设计方法,采用非球面内表面对自由曲面的求解误差进行补偿,有效地减小了自由曲面的误差对配光效果的影响。通过对自由曲面求解误差进行定量计算,建立用于补偿误差的非球面内表面设计方法,形成了基于非球面内表面调制的自由曲面配光透镜的完整的设计思路。将这一方法应用于矩形照明区域的LED路灯透镜设计之中,相对于传统自由曲面配光透镜,照度均匀度由0.66提高到0.73,能量利用率从47.3%提高到63.2%。     

实现台灯照明高均匀性的LED配光设计与仿真

针对台灯照明的高均匀性要求,设计一个自由曲面透镜对LED光源进行二次光学配光。根据非成像光学理论,在已知入射光强分布与所需配光效果的前提下,建立关于透镜自由曲面面型的偏微分方程,并采用相应的数值解法,得到自由曲面面型数据。通过在建模软件Rhinoceros中建立光学透镜的模型,并在Tracepro中进行光学仿真,得出仿真结果,验证此设计方法的可行性。     

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。     

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。     

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LED的光栅光调制器照明系统的优化设计与实现

设计了一种基于LED照明的光栅光调制器(GLM)照明系统,以自由曲面TIR透镜、光棒、聚光透镜组为主要光学元件来提高LED光能利用率,并实现光场均匀化。通过仿真得出,照明系统的光能利用率为78.7%,光照均匀性为85%,实验与设计结果基本一致。这表明,优化后的光栅光调制器的照明系统,解决了基于LED的照明系统光照不均匀和光能利用率低的问题。     

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%。