闪烁体光束准直光学系统设计

为更好地实现对闪烁光的高效率收集和高质量准直,提升探测效果,便于进行后续的闪烁体光束控制或偏转等实验,分别提出了同轴光束准直系统和离轴光束准直系统,设计优化了该系统中的自由曲面透镜、二次曲面反射镜等器件的参数。采用光学软件LightTools对闪烁体光束准直系统进行仿真。结果表明:所设计的同轴光束准直系统和离轴光束准直系统均能有效地实现对闪烁光的准直,其中自由曲面透镜离轴反射镜系统将光束发散角从±40°压缩为±5°,光能利用率可达96%以上,光束角内光能利用率达83%以上,实现了对光束传播方向的调控,提高了闪烁光的收集效率。

自由曲面LED路灯反射器设计

针对LED路灯反射器设计中存在的中心光强较强、两边渐弱、均匀度不高等问题提出了一种新的"V型结构"光学反射器,该结构的反射器将每一个路灯覆盖的照明区域等分成两部分。由能量守恒原理建立起LED光源出射光线的角度与照明平面上的坐标的对应关系,根据对应关系计算反射器自由曲面上的点坐标,通过建模软件把诸多点拟合成曲面实体,将实体导入光学软件进行照明仿真。结果表明:该路灯反射器的照度均匀度达到77.85%,可在目标路面上形成照度均匀的矩形光斑。

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。

基于均匀照明的光学器件研究

采用非成像和自由曲面设计方法,对反射器和透镜这两类光学器件进行了二次光学设计和研究,获得了具有均匀圆形照明特性的光学器件.通过编程计算构造出光学器件的几何轮廓,并对光学器件模型进行了模拟仿真,获得了良好的均匀圆形照明光斑.设计出的二类器件其圆形照明面照度均匀性均达到90%以上,适合于对均匀性要求较高的室内照明.该设计为实现大功率LED均匀照明提供了一种有效的设计途径.

汽车照明系统的设计及超精密自由曲面加工技术

随着汽车产业的高速发展和市场的激烈竞争,现代汽车照明系统对发光效率、安全性能、以及美观的要求也越来越高。汽车照明中的自由曲面反射镜及LED照明系统的设计和加工是至关重要的。有别于传统光学系统的设计,汽车照明系统的非成像光学的设计是个多学科、复杂的过程。设计结果的好坏直接影响到照明系统的发光效率、能耗、以及汽车的安全性能。随着光学系统设计和超精密加工技术的进步,越来越多的光学元件采用了非球面以及自由曲面,汽车照明系统的效率以及性能得以极大的提高。本文阐述了汽车照明的非成像光学系统的设计和超精密加工技术。

基于LED的自由曲面反射器设计软件研究

针对LED自由曲面反射器设计,建立了光学设计模型。根据光学设计模型,编写了自由曲面反射器设计软件。利用圆形照度均匀分布和矩形照度均匀分布自由曲面反射器设计实例对软件算法进行了验证,其中圆形被照面的照度均匀度达到了0.92,矩形被照面横向照度均匀度达到了0.9,纵向照度均匀度达到了0.8。软件计算时间少于1s,算法是高效可靠的。本软件可用于道路照明、投影设备、重点照明和汽车前照灯等非成像光学设计领域。

面光源矩形匀光照明反射器数学建模分析

通常反射器照明器件结构对面光源出射光线难以有效控制,用透镜又存在不可避免的色散问题。采用面光源置于反射器杯口,出光面背对目标面的结构,提出一种分点、分区控制光线的自由曲面反射器的设计方法。利用有限元法划分面光源,将微面光源视为点光源,根据矩形匀光照明配光条件,建立面光源与目标面的能量对应关系。根据微分几何理论和Snell定律,建立反射器的数学模型,只要给定参数,无需进行反馈优化,即可用Matlab软件给出自由曲面反射器的数值解。以台灯照明为例,用光学设计软件对其性能进行了模拟应用分析,结果表明,在有效照明区域内均匀度可达到80%以上,光能利用率达到90%。

汽车自由曲面前照灯反射器仿真设计及照明模拟

自由曲面前照灯是最具发展潜力的前照灯之一。自由曲面前照灯的反射器是无法用数学方程来描述的自由曲面,其设计一直是前照灯设计中的一个难点。研究用计算机仿真设计来进行自由曲面前照灯的设计。其主要内容包括光源建模、自由曲面反射器的设计和前照灯照明效果模拟三大部分。论文给出了设计实例结果。

利用映射法构造自由曲面反射镜

为在特定平面上得到圆形均匀辐照面,利用映射法构造了一种自由曲面反射镜。根据给定的工作距离、自由曲面反射镜和辐照面大小、光束准直角、光源发光特性等参数,由能量守恒定律建立自由曲面反射镜上各点与辐照面上各点的映射,结合光线反射的几何关系,得出自由曲面反射镜的面形数据,并对得到的自由曲面反射镜进行光线追迹模拟,光源采用7000W短弧氙灯,分别采用理想点光源和厂家提供的实际光源模型,最终得到了理想的圆形均匀辐照面,均匀性达到了97%,能量达到了2600W左右,在保证均匀性、工作距离、准直角度等参数的基础上,能量利用率与传统的匀光照明系统相比提高了三倍以上。

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。

组合式LED自由曲面前照灯的近光配光设计与仿真

本文从汽车用前照灯国标GB25991—2010出发,在已知光源属性的前提下,利用RefCAD设计了适用于高亮度白光LED的自由曲面反射器,将多套反射系统组合成汽车前照灯,并通过TracePro仿真模拟,分析各测试点、区域的照度值,其设计结果能较好地符合国标对近光的要求。该方法能更充分发挥LED的优点,提高了光能利用率,且大大优化和节省了设计空间。

车灯自由曲面的配光设计

随着现代汽车车灯设计的发展,传统的车灯配光镜由于其设计繁琐,光能利用率较低,且影响汽车美观等缺点,现已逐渐被自由曲面的车灯产品所替代。从汽车前照近光灯国标GB4599-2007出发,在已知光源属性的前提下,利用RefCAD和LightTools设计了一款适用于H7卤素灯的自由曲面反射器,经过对各测试点、区域的照度值的分析,较好地符合了GB4599-2007对近光的要求。该方法能够大大缩短车灯设计周期,为未来大功率LED用于车灯设计提供参考。

远程荧光粉涂覆一体化光源封装技术

提出了一种远程荧光粉涂覆一体化光源封装技术。从荧光粉散射理论分析了LED远程荧光粉涂覆角色温不均匀的原因,利用边缘光线理论设计了一符合从荧光粉激发出的黄光光强分布的自由曲面反射器结构。模拟和实验结果表示这种反射器结构相比普通反射器增加了光效且改善了角色温均匀性,此外我们基于此反射器做了色温6000 K的一体化光源,其光效能达到110 lm/W。

新型LED汽车前照灯光学系统设计

利用圆环形LED光源阵列结构,结合反射杯与自由曲面透镜的混合型配光,设计了可以实现对汽车前照灯远光和近光同时配光的光学系统。对经反射器聚光后的光线及配光屏幕进行了适当的网格划分,根据能量守恒定律,建立了出光角、自由曲面透镜与配光屏幕之间的坐标关系。结合折射定律,通过迭代计算得到自由曲面透镜上的点坐标,并使用三维建模软件得到透镜模型。利用Tracepro软件对光学系统模型进行了光线追迹。结果表明,所设计的光学系统可以同时满足GB 25991-2010《LED前照灯标准》对LED前照灯远光和近光的配光要求,与传统的LED前照灯相比,能耗可降低至原来的75%。

汽车前照灯反射器自由曲面的设计步骤和技巧

前照灯是汽车不可缺少的装备之一 ,它的设计制造是集光学、机械、模具、材料、计算机、CAD技术以及美学等多种学科为一体的综合性高新技术。本文论述了目前最流行的自由曲面前照灯的光学设计方法和技巧。

基于成像球光强测量系统的光学设计

提出一种新的快速测量空间光强分布的方法,完成基于该方法测量系统的光学系统设计,并对光学系统的关键器件进行设计.利用Matlab编程和Solidworks三维建模得到自由曲面反射镜面型,Zemax光学软件设计优化得到双高斯物镜.光线追踪仿真软件LightTools对测量系统进行模拟仿真,验证系统的可行性,并对该构架下测量系统最小角分辨率和动态范围的关键性能指标进行分析.结果表明,设计的基于成像球的测量系统可实现空间光强分布测量.

自由反射曲面的软件设计

通过特定的自由反射曲面,可以使得光源的能量重新分布,在指定的投射区实现预期的照明效果。介绍了自由反射曲面的应用领域前景,提出了实现设计自由反射曲面的思路和具体方法,进而指导应用软件的开发,同时阐述了软件设计的思路。

反射式ADB模组的光学设计

为解决复杂道路条件下的汽车夜间行车安全问题,避免会车时使对向车辆驾驶人员产生炫目效果,文中以非成像理论为基础并结合折反射定律,建立LED出射光线与接收面上远光分布点的对应投射关系。通过数值迭代的方法求解自由曲面离散点,并导入到3D软件中进行拟合建模,设计出一种通过控制对应LED亮灭,用以组合形成不同远光光型的反射式ADB光学系统。最终样件的实际测试结果表明,当该光学系统处于最大工作条件时,其出光效率达到34.3%,最大光照度值为134 lx,配光结果满足远光法规各测试点要求。

基于微分几何的矩形照度分布自由曲面反射器设计

在LED照明应用中为实现矩形均匀照度分布要求,提出了一种基于一阶线性偏微分方程的自由曲面反射器设计方法。基于微分几何理论和折射定律描述了光线与自由曲面的相互作用。根据LED光源特性建立了朗伯光源与矩形被照面之间的能量拓扑关系,推导了自由曲面反射器的一阶线性偏微分方程和边界条件。分别使用Runge-Kutta法和有限差分法对边界条件和偏微分方程进行数值计算,并对计算结果进行光线追迹仿真。仿真结果表明自由曲面反射器光通利用率达到了94%,矩形被照面横向照度均匀度达到了0.9,纵向照度均匀度达到了0.8。程序计算时间少于1s。

实现均匀照明的自由曲面反射器

通过单个自由曲面反射器的反射,令光源发出的能量重新分布,在特定照明面上实现所需照明,从而简化了投影设备中的照明系统,使设备的进一步小型化成为可能。根据给出的光源辐射特性和所需实现的照明面上的能量分布,可得到一组偏微分方程,数值差分求解直接得到自由曲面反射器。光源采用发光面积1 mm×1 mm朗伯体发光的LED,视角为120°,照明面为4:3的均匀矩形光斑。设计了两种自由曲面反射器,并用软件对得到的曲面进行了照明模拟,模拟得到的照明均匀性接近90%。两种反射器在光轴方向上的投影尺寸均小于25 mm,垂直光轴方向上投影长度均小于22 mm,照明系统总长均小于40 mm,结构紧凑,适用于小型LED投影设备。