非成像光学应用于LED照明探析

随着科技水平的不断提高,照明光学技术也获得了空前的发展和进步。与成像光学有所不同,照明光学系统属于非成像光学的范畴。为了更好地研究非成像光学在LED照明系统中的应用,本文首先介绍了非成像光学及其相关概念,进而阐述了LED的特点及分类,最后提出非成像光学在LED照明系统设计中的具体应用。     

RGB LED白光照明单元的组合设计

在含有多个LED排列的光源中,需要对RGB LED照明单元的排列组合进行精确的设计.文章将每一个单色LED看成是一个非理想的朗伯发射体,分析了LED排列的几种典型结构,根据设计方程式模拟出了不同LED结构的照度分布情况.模拟结果表明,排列LED在其极值范围内可以得到比较均匀的照度分布,随着LED之间距离的增大,其中心位置的照度随之下降;增大LED阵列中心到被照平面的距离z,照度均匀性也随之逐渐降低.     

非成像光学应用于 LED 照明探析

随着科技水平的不断提高,照明光学技术也获得了空前的发展和进步.与成像光学有所不同,照明光学系统属于非成像光学的范畴.为了更好地研究非成像光学在 LED照明系统中的应用,本文首先介绍了非成像光学及其相关概念,进而阐述了 LED 的特点及分类,最后提出非成像光学在 LED 照明系统设计中的具体应用     

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。     

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。     

均匀照明LED背光板设计

当前越来越多的液晶显示器都朝着低功耗的方向发展,而降低功耗的直接方法是减少作为光源的LED数目及功耗,但因LED颗数变少,使LED间距增大而产生hot spot。为解决这个问题,文中在不改变LED与导光板之间空气层的前提下,增大相邻LED之间间距,达了到很好的混光效果。由于LED入射导光板的光入射角增大,解决了在LED背光模组的hot spot现象,使均匀性得到最大程度的改善,这一研究对于提高低功耗液晶显示器显示效果具有一定的参考意义。     

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。     

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。     

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。     

方形光场LED阵列透镜光学仿真设计

通过对LED一次透镜曲面的分析,建立了透镜表面的数学模型,经过计算得到相应的微分方程,运用龙格-库塔法计算得到透镜中心截面曲线的数据,再将此数据导入Soliworks当中得到中心曲线,之后,通过软件进行曲面扫描、镜像和缝合处理,得到相应透镜的三维模型,接着将该三维模型导入Tracepro中,并作相应的设置进行光学仿真得到所需正方形光场的图像和数据。最后,将设计好的透镜模型进行3×3的阵列设计得到最终的加强正方形均匀光场。     

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。     

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。     

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。     

手持通信设备的光源驱动设计

通信手持设备光源的应用主要体现在键盘灯、液晶屏幕背光和特殊照明三个方面,主要的发光器件是半导体发光二极管(LED),驱动芯片设计技术有低压差(LDO)稳压器、可调节(Regulator)稳压电源、电荷泵(Charge Pump)电源和超级电容(Super Capacitor)电源等不同形式.     

LED路灯的光学系统研究与设计

随着大功率LED光源和照明技术的发展,LED已经广泛的应用于照明领域,这也给灯具的配光设计带来了新的挑战.本文从LED光源应用于道路照明的实际要求出发,对LED路灯的光学系统和灯具的配光要求进行了研究,设计出了一种混合型反射罩光学结构,同时调整每列光源的偏转角度,并通过光学仿真软件进行了仿真,从而达到路灯照叫所要求的均匀矩形配光.     

LED交通信号灯光学设计

设计了一款在规定角度范围内光强均匀分布且直观无明显的颗粒感的LED 交通信号灯。将高亮度LED 的出射光用菲涅耳透镜进行准直,利用斯涅尔定律,设计了枕型透镜来实现指定方向上的照明,并将之排成阵列,以获得一定角度范围内的光强均匀分布。利用ZEMAX 光学设计软件对设计方案进行了模拟,分别给出了水平和竖直两个方向上角度光强均匀分布的结果。通过仿真人眼对信号灯的成像,呈现人眼的观察效果,结果表明该设计满足设计要求。     

近似矩形照度分布的新型LED

以清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室罗毅教授课题组为主研发的新型功率型LED城市照明光源突破了严重的技术瓶颈,使得LED路灯的实际照度分布近似为矩形,并且照度分布很均匀,并比目前道路使用的高压钠灯综合节能60％以上。     

一种显微镜LED光源驱动设计

大功率LED拥有寿命长、单色性好、控制灵活等优势,能够很好的服务于现代生物成像实验。文中基于LED照明和生物实验的特点,为显微镜LED光源设计针对性的驱动电路;电路采用大功率LED驱动器LT3755和boost拓扑结构,实现了电流满量程调节。通过测试不同控制电压下LED输出电流的实验,说明电路能实现较高精度和线性度的电流控制。     

基于非成像光学的LED路灯透镜设计方法

LED作为新型的绿色光源,在道路照明领域迅速发展.道路照明要求LED路灯在路面形成均匀性良好的矩形光斑,这就需要设计自由曲面透镜来达到配光要求.简要介绍了目前常见的自由曲面透镜设计方法,并就偏微分方程法和网格法进行了详细介绍与比较,认为网格法更具有良好的研究前景.     

从LED特性看未来发展策略

1前言 1968年问世的单色发光二极管（light—emitting diode，LED），由于光强度低及单色缺乏全彩化，仅限于电子、电机设备的仪表与电器产品上的状态显示或观赏点缀等用途：虽然红黄绿LED已上市20多年，但由于光输出不高且亮度不足，发光效率又偏低，加上电子产品不耐热及易受屋外气候影响．因此难以发展为实用的照明光源与灯具。因全球能源短缺，节能新光源的研发成为全球的焦点，由此发展出了高亮度的LED（20世纪80年代中期）、高亮度蓝光LED（1993年）及白光LED，逐步实现了LED的全彩化。直到在消费电气商品领域找到新市场，才真正刺激了光电产业全心投入研究发展，开始大幅提升LED的光输出及红黄绿发光效率，从而成功地运用于交通信号灯及屋外的广告和各类型指示灯。从此，LED光源正式走入各类民生用途，包括汽车交通、通讯与信息产品、便利照明。近几年来更是在农业生产与生物医疗的生物产业上大放异彩，已为农作物栽培燃起了新希望。