实现近场均匀照明的双自由曲面大角度透镜设计

针对LED单自由曲面透镜近场大角度照明均匀性不足和出光效率低等问题,基于边缘光线理论和网格划分法,设计了内曲面为椭圆型,外曲面为自由曲面的LED双自由曲面大角度透镜.透镜内曲面对LED入射光线进行发散,外曲面对出射光线方向进行控制,实现大角度均匀照明,并减少全反射损失,提高出光效率.采用扩展光源文件对透镜模型进行光学仿真,并利用反馈优化法对外曲面进行优化,提高近场的照度均匀性.研究表明:在相同近场距离条件下,出光角度为143°、151.8°时,单自由曲面透镜照度均匀性为0.55和0.40,出光效率为92.0%和80%,而所设计的双自由曲面透镜照度均匀性为0.84和0.85,出光效率为98.8%和95.0%,照明效果明显改善.

具有反射透射两用表面的LED自由曲面透镜的逼近法计算

让透镜的一个全反射表面同时又能折射,则可以使得透镜结构简化体积减小。但对这种双功能曲面,一般的自由曲面计算无法进行。本文提出了用一种逐次逼近法进行这种透镜形状的计算。在一个薄形准直透镜的例子中,光线从LED出发经入射面射入透镜,被双功能面反射向纯反射面,再由纯反射面返回双功能面,透射出去成为平行光。计算方法是用一个小循环逐次修改纯反射面形状,使得光线出射后满足平行光的要求。再用一个大循环逐次修改双功能面的形状,使得出射光线在透镜表面分布均匀。文章给出了本方法的详细步骤,并举例设计了一个准直透镜,其实测透镜光束角为±2.5°,比市售准直透镜的同照明距离延长了约4倍。本文的方法对这类一个表面既能反射又能折射的透镜设计有普遍意义。

基于双自由曲面的LED均匀照明准直透镜设计

基于几何光学、能量守恒定律及菲涅耳定律等相关理论,提出了一种双自由曲面半导体发光二极管(LED)准直透镜的光学设计方法,并给出了构建准直透镜模型详细的算法设计。自由曲面是一种关于中心轴旋转对称的曲面,该曲面的二维轮廓在非均匀有理B样条曲线的方法理论基础上,采用ProE软件搭建而成。通过蒙特卡罗光线追迹模拟发现,相比传统的单自由曲面准直透镜,双自由曲面准直透镜不仅提高了照度均匀性,而且在能量利用率上也有显著的提高。研究结果表明,采用双自由曲面将大大提升准直透镜的设计空间,改善LED透镜的光学性能。

应用于Mini‑LED背光的双自由曲面透镜设计

提出了一种单个透镜目标面照度分布的设计方法,根据背光中Mini-LED光源数量及阵列排布间距、混光距离、目标面光斑半径等信息,建立了背光目标面上照度值与单颗透镜目标面照度分布之间的映射矩阵,通过LSQLIN迭代优化算法得到单颗透镜目标面照度分布,最后采用光源-目标面能量映射法设计双自由曲面透镜。以Mini-LED阵列排布间距为39 mm×30 mm、混光距离为6 mm且目标面光斑半径为40 mm为例进行设计。仿真结果表明,所设计的透镜阵列应用于光源数为5×5的Mini-LED背光时,目标面照度均匀性达到87.45%,对比常用的均匀分布及高斯分布分别提升6.24%和3.34%。本方法在确保背光照度均匀性的前提下降低了透镜设计的计算复杂度,无需大量的后续优化工作,为Mini-LED背光中双自由曲面透镜的设计提供了一种实用有效的方法。

适于扩展光源的紧凑型双自由曲面匀光透镜设计

为了解决现有含有扩展光源的照明系统能量利用率低、透镜体积大、照度不均匀等问题,根据非成像光学边缘光线理论,提出了一种适用于扩展光源的双自由曲面设计方法。利用扩展光源的左右边缘光线经过透镜折射后形成的角度差值来控制目标面的照度分布,根据设计目标参数,计算内外自由曲面离散点,拟合内外自由曲面的轮廓曲线,得到旋转对称的双自由曲面透镜。在透镜高度与光源直径之比仅为2的情况下,利用此方法,经过数值计算以及光学仿真,设计了高能量利用率、高均匀性的双自由曲面透镜。近场双自由曲面光学系统的能量利用率为99.52%,照度均匀度为95.81%;远场双自由曲面光学系统的能量利用率为99.12%,照度均匀度为93.45%。研究结果表明,所提设计方法将对含有扩展光源的照明系统设计具有指导意义。

LED光源气溶胶探测雷达光学准直结构优化设计

针对LED光源气溶胶探测光学雷达光能利用率偏低的问题,设计一种新型的雷达结构。它由双自由曲面准直匀光透镜和带有非球面镜的Kepler系统二级准直系统构成。准直透镜和Kepler系统前组单透镜使光聚焦于光阑处,再由带有非球面镜的透镜组准直出射。设计的仿真结果表明:光束发散角控制在3°以内,光能利用率达到43.027%,机械总长为207mm,与现有结构相比,光能利用率提高了12%,结构更为紧凑。

一体化LED汽车前照灯光学系统设计

提出了一体化LED汽车前照灯光学系统设计方法,并设计出同时用于前照车灯远、近光配光的非对称双自由曲面透镜。采用变焦距椭球面反射器、非对称双自由曲面透镜对光源发出的光线进行配光,可使近光的照明宽度达到16 m。仿真结果表明,该前照灯的远光和近光各点所要求的照度值和光型均满足国标,并且光斑的色温稳定。所设计的光学系统体积为传统前照灯光学系统的一半,符合紧凑化车灯设计要求。

基于COB LED的均匀光强分布可见光通信系统发射端的光学设计

针对光线在大角度偏转时菲涅耳损耗大、光强均匀性差等问题，提出了基于最优双偏转能量映射和贝塞尔曲线多参数优化的双自由曲面透镜设计算法，并利用该算法设计了基于板上芯片型（COB）发光二极管（LED）的双自由曲面透镜，该透镜可应用于可见光通信系统的光学发射端。以大面积发光面的COBLED作为光源，通过控制自由曲面透镜内外两个表面上的入射光线偏转角的比例关系（即偏转系数），可降低菲涅耳损耗。构建了出光角分别为180°和260°的大角度均匀光强分布的双自由曲面透镜，其光强均匀度分别为0．92和0．90，其光能利用率分别为89．4％和85．9％。将单自由曲面透镜和双自由曲面透镜的光学性能作对比，结果表明，单自由曲面透镜可实现出光角范围为120°～180°、光强均匀度超过O．85以及光能利用率超过85％的光分布，双自由曲面透镜在达到同样的光强均匀度和光能利用率时，可实现出光角范围为100°～260°之间的均匀光强分布。因此，利用双自由曲面透镜能够实现更大范围出光角的均匀光强分布，从而满足可见光通信系统的光学发射端的光分布要求。

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。