LED照明的光学器件设计与仿真

大功率LED集成光源在实际照明工程应用很多,但是集成光源的照明效果不是很理想。为了解决大功率LED集成光源难以直接应用于照明的问题,根据非成像光学理论,设定合适的初始参数,利用能量守恒建立LED光源与目标照明面之间的映射,设计了筒灯反射器和透镜。并用Tracepro软件对这两类光学器件进行模拟仿真,均得到了良好的均匀圆形照明光斑。仿真结果表明,设计出的反射器和透镜,随着发光光源面积增大,照度均匀性都降低,当光源尺寸均设置为1 mm1 mm时,照明面上照度均匀性都达到95%以上,当光源尺寸增大10 mm10 mm时,照明面的照度均匀性下降到85%,符合对均匀性很高的室内照明设计标准。     

基于TIR结构LED准直透镜的设计与实现

介绍了一种LED自由曲面准直透镜的设计方法,并运用该方法设计了一款基于全内反射,结构的准直透镜。对初始结构不断进行逼近,最终得到准直透镜的模型。透镜外径为35 mm,总高为21.5 mm。透镜匹配Cree公司XPE光源进行计算机模拟,效率高达84.8%,K值高达125.8 cd/lm。模拟应用于35 W的探照灯时,在100 m远处形成一个直径为8 m的圆形光斑,光斑中心照度高达60 lux。透镜实际样品被制作出后,经过测试,实际透镜的光束角为3.2°。此款透镜被用于实际探照灯灯具中。     

用于LED准直的TIR透镜与反光杯效果研究

为了对比TIR(Total Internal Reflection)透镜和自由曲面反光杯用于LED(Light-Emitting Diode)光源准直的效果,基于TracePro分别仿真LED光源在相同口径的TIR透镜和反光杯下的有效射程和光斑直径,对比相同口径的TIR透镜和反光杯下的准直特点.研究结果表明,随着口径的增加,射程均有所增加,光线形态经历三个阶段,对应光斑有三种形态,即矩形形态、复峰形态和驼峰形态;光源经过反光杯后的光斑直径更小且存在滞后效应;LED光源经过TIR透镜后的射程更远,但相差较小;当光斑口径过大时,两种光学系统均形成光环.     

基于LED光源的投影LOGO灯设计

根据固体照明LED光源的特点,文中提出了一款基于3.5×3.5 mm朗伯体LED光源的紧凑型投影LOGO灯系统。利用成像设计软件Code V设计一个两片式成像系统,该系统物距为2 900 mm,像距为15 mm,像高为5.792 6 mm。根据光路可逆原理,给该成像系统匹配一个准直度高、均匀度高的光源,在LigtTools软件中设计了一个分级准直透镜组,LED光源经过准直后角度为4.2°,光斑均匀度达到了91.7%。将两个子系统结合在一起,可以在2 900 mm远的接受面投影出菲林的完整清晰的均匀图案,图案直径为1 600 mm。与现有的系统相比,此系统长度短、结构简单、投影图案均匀度高。     

实现LED均匀照明的透镜设计

根据LED光源的特点,定义朗伯光源和近朗伯光源的函数,提出一种LED均匀照明的透镜设计方法。推导出产生均匀光斑的透镜设计方程,采用MATLAB求解该方程的数值解,可实现在目标区域内的均匀照明。     

基于微透镜阵列的大面积LED阵列光源匀化方法

LED阵列光源凭借其高亮度、长寿命及节能环保等独特优点广泛应用于医学、微纳加工、光学成像等领域，但其匀化系统存在光线准直难、可实现的照明光斑面积小等问题，难以在需要均匀照明的光学领域当中得到广泛应用。针对这一问题，提出了一种基于微透镜阵列的大面积LED阵列光源匀化方法。首先通过矩阵光学及近轴光学理论进行理论分析，然后利用lighttools软件进行系统设计及仿真实验，最终在像面上实现了大面积的均匀光斑。相较于以往最多可实现50 mm×50 mm的匀化光斑，该匀化系统可做到104 mm×104 mm、均匀度为87.375%的大面积规则的均匀光斑，该方法对医学、红外夜视、投影显示、航空照明领域等需要大面积均匀照明的系统有着重要意义。     

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光源可自由转化光斑形状大小的组合透镜

基于非成像光学理论,根据LED光源特性,文中提出一款由两个透镜组合形成的光学系统,其可自由转化光斑形状和大小。从基本的透镜结构出发,利用SolidWorks软件,建立有微阵列结构和曲面条纹的透镜,再利用光学软件LightTools仿真模拟光路,可以通过改变两透镜间距实现光斑形状由矩形光斑到椭圆光斑到圆形光斑之间的转化,同时还可以改变光斑大小,发散角可由20°变化到50°,整体系统发光效率均可保持在93%以上。     

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.     

集成菲涅耳微透镜的准直微光源

已研制成功无须外置任何准直透镜的超级准直微光源.它是在目前最小的激光器内将激光二极管(LD)或发光二极管(LED)之类的光源与准直微透镜集成.为达到结构紧凑,得到细 而高质量准直光束的目的,在世界上首次用短焦菲涅耳微透镜(MFL)作为准直光学元件.光源为LD时的出射光束在50mA的驱动电流下有高于3mW的功率,光束直径仅1.3mm,能量     

基于无缝平凹透镜阵列的LCD背光模组设计

针对大尺寸LCD直下式背光模组的均匀性问题提出了一种无缝平凹透镜阵列,用以代替常用的扩散膜。模拟了106.68mm(42in)LED背光源的光学分布,得到了合适的透镜半径、结构以及LED阵列间距,分析了平凹透镜阵列半径和平凹透镜阵列与光源的相对位置对匀光作用的影响。结果表明:半径为1mm、厚度为2mm的无缝平凹透镜阵列较好地起到了匀光的效果,接收面的照度均匀性为88.61%。     

微透镜阵列提高LED多芯片封装取光效率的仿真

提出在LED多芯片平面封装表面添加微透镜阵列,以提高取光效率。仿真分析了微透镜阵列的半径、间距和排列方式等对取光效率的影响。分析结果表明,通过在封装平面添加微透镜阵列,可以极大地提高取光效率,微透镜的填充因子是影响取光效率大小的关键因素,填充因子越大,则其取光效率越高;微透镜的排列方式对出射光强的分布也会产生影响。     

LED路灯产品质量的提升对策探讨

我国的LED产业在最近几年发展得很迅速,得到越来越广泛的应用,而将LED光源应用于道路照明中却是一项新兴产业。文中主要探讨台湾颁布的CNS15233标准的要求对国内目前生产的LED路灯在耐久性、配光特性、光效、环境适应性等方面的影响,并总结了LED路灯在设计时需注意的方面,急切呼吁国内有关道路照明灯具性能要求的标准尽快出台。     

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。     

基于棱镜和微透镜的LED混光投射透镜设计

基于透镜侧面棱镜和前后膜芯添加微透镜设计一款出光角度可变的均匀混光照明透镜。采用棱镜和微透镜结合的新型方法,分别对透镜外侧棱镜和模芯微透镜进行新的设计。对目标角度进行映射关系的计算及推导,得到全反射棱镜的轮廓曲线图,中心内外部分采用折射型的微透镜阵列,通过Solidworks建立透镜模型,然后导入光学仿真软件Lighttools中进行光线追迹。采用12颗30 mm×30 mm贴片式不同色温的LED作为光源,设计了一款高度20 mm,直径52 mm的单颗实用型投射透镜。仿真与实测结果表明：所设计的透镜匹配该阵列光源后,光学效率高于87%,半光强角为40.6°,可以实现均匀混光投射照明。     

如何在交通屏与讯息屏上节省LED驱动器的电能

由于世界范围的能源短缺,近年来节能议题日趋受到重视。目前的照明设备为达到低功率消耗、寿命长、无污染、启动时间短等需求,已经大量采用高亮度的半导体固态发光二极管（LED）取代传统的照明光源。LED驱动器则提供恒定电流控制,使得LED维持稳定的发光亮度与饱和的色彩频谱,为了设计符合工业与节能标准的显示屏系统。LED驱动器必须有自动省电特性。     

超声速燃烧场高密度光学测量环设计方法研究

超燃冲压发动机激光吸收光谱测量系统目前主要采用分立式光学探头形式与发动机机体固定,但是受到探头尺寸的限制,无法获得高分辨率的流场信息。文中设计了一种基于自由曲面透镜和透镜阵列相结合的燃烧场高密度光学测量环。该测量环采用两层结构,发射端分别位于每条边最边缘位置,激光准直透镜和自由曲面透镜形成扇形光束,扇形光束穿过被测流场后,经过楔形镜偏转和聚焦透镜聚焦,进入接收光纤后传送至探测器。测量环接收单元最小间隔为5 mm,实现了在5 cm×7 cm空间内88条光线的密集排列。重点讨论光学系统光线分布设计方案,并给出收发端结构设计方案,实验结果表明,光线利用效率大于50%,光线总传输效率大于55%。设计的高密度光学测量环可以直接与发动机机体相衔接,避免环境因素干扰,可以实现对超燃冲压发动机隔离段、燃烧室出口等处温度、组分浓度的二维分布测量。     

基于光线追迹的LED裸眼三维显示技术准直性研究

在LED集成成像裸眼三维显示中,LED大屏幕的单个像素点的发散角很大,使用平凸及双凸透镜,图像的重构光线发散且相邻透镜单元间的像素串扰大,导致立体场景再现的过程中图像不清晰,影响重构三维图像的质量。根据光线追迹原理,分析了LED集成成像的成像过程,研究不同形状透镜阵列与LED集成成像相邻透镜单元间像素点间串扰的关系,仅使用单个凹凸透镜有效地控制了重构光线的发散问题,使通过透镜的重构光线更加汇聚准直,光线平行出射,有效地减小了相邻透镜间的像素串扰,提高了成像质量。通过比较字母模型成像的仿真结果,凹凸透镜非常适用于LED集成成像,成像的效果优于其他形状透镜。     

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。