led自由曲面的ir透镜设计

led自由曲面的ir透镜设计

0次光学系统设计及结果由于三角形是一种面光源，反射光的分布基本上是朗伯分布的，分散角约为120。如果直接应用，也难以满足照明设备所需的光学纯度，如亮度、平整度等。因此,在实际应用上往往需要对LED光源进行二次光学设计以满足需要的照明指标。在提高照明器件亮度的指标上,除了增加LED光源个数及增加单个LED光通量之外,一个最有效的途径就是设计合理的二次光学系统以提高LED光源的光能利用率,增加照射到照明器件的光通量。最常见的是利用复合抛物面聚光器(CPC)对光束进行整形,但该光学元件必须具有较长的工作距离,并且在器件尺寸较小的情况下,CPC是一种口径小、长度相对较长的结构,增加了加工的难度。本文设计了一种自由曲面的全内反射透镜(TIR透镜)来代替CPC聚光器,利用几何光学控制光线走向,可以有效收集LED大范围的出射光,既实现光能的高效利用,也保证了照明系统的小型紧凑化。文章根据大功率LED的出射光分布特点,详细介绍了一种自由曲面TIR透镜的设计方法,并利用tracepro软件对光线进行追迹,根据追迹结果对设计做出评价。1led光的出射光分布为达到LED照明系统的结构紧凑化,采用单颗大功率LED光源作为设计对象。综合比较各大公司大功率LED光源特性后,选择美国Lumileds公司的LuxeonⅤ系列大功率LED光源作为设计光源原型,该光源芯片尺寸为0.75mm×0.75mm,光束发散角为150°,且出射光形成的照度沿径向迅速衰减。图1是实验测得该型号光源的出射光分布图,从图中可见,该型号的LED光强随发光角分布基本上为一标准的朗伯分布,大部分光能量集中在±60°以内,这些光束如未经过光学元件收束很难都照射到照明器件表面,无法满足照明指标要求,因此必须对其进行二次光学设计,设计中暂定光源的光通量100lm。在以下的非成像仿真中,用0.5461μm波长的光线20万条来模拟。2tir透镜设计该TIR透镜的设计目的在于尽可能收集从LED光源射出的光线,并同时减小光束的发散角,减小数值孔径,在实现照明器件的高亮度照明的同时,也有利于后续光学系统的设计,提高光能的利用率。由于自由曲面TIR透镜是通过追踪每条光线的行走路径来获得透镜的曲面形状,很难获得透镜结构与照明要求的函数关系。因此在设计中主要采用光线追踪和结构优化相结合的方法,通过理论计算每条光线路径来获得透镜曲面的初始结构,再通过模拟仿真对结构进行优化,在实现一定光能利用率的前提下,得出能完成光束收集的最佳TIR透镜结构。TIR透镜的工作原理如图2所示。其工作曲面由曲线1、直线1,直线2、曲线2和直线3构成的横截面经旋转360°构成。其中曲线1和直线3一组,其旋转面构成中心非球面,对从LED发出的中心光束进行收束;直线1、曲线2和直线3构成一组,其旋转面构成侧面反射面,对LED发出的侧面光束进行收束。二部分光线都经过透镜顶端平面出射到达目标照明区域。在设计中,直线2不起光学作用,长度约0.5mm进行固定,直线1起点S0可事先固定,终点在中心非球面末端,一般要求直线1倾斜2°~3°。为方便使用注塑手段进行大规模批量生产,本TIR透镜的材料采用PMMA,其折射率为1.4935。整个TIR透镜结构的设计过程主要分为以下两个部分。2.1q点矢量的计算设计光路参考图3,首先在中心非球面上确定一起始点P0(x0,y0),从透镜顶端中心向该点引出一入射光光线,则入射光线方向矢量→Ιn1=(sinθ0,cosθ0)In1−→−=(sinθ0,cosθ0)。入射光线在P0处折射后再从P0出发经平面Q0处折射到达目标点T。根据费马最短光程原理可以计算得到Q0,则经中心非球面折射后的出射光方向即可确定:→out1=→Q0-→Ρ0|→Q0-→Ρ0|out1−→−=Q0−→−P0−→|Q0−→−P0−→|。此外,根据折射定律,非球面P0处法线方向为→Ρ0Ν0=n→out1-→Ιn1,假定中心非球面是连续的自由曲面,非球面上紧邻P0点的下一点P肯定是在前一点的切线上。设经过P点的入射光线的入射角为θ,则该入射光线的方向矢量为→Ιn=(sinθ,cosθ),入射点矢量→Ρ=k→Ιn,根据P点位于P0的切线上的结论,有(→Ρ-→Ρ0)⋅→Ρ0Ν0=0,可得到k=→Ρ0⋅→Ρ0Ν0→Ιn⋅→Ρ0Ν0,从而得到→Ρ点矢量的具体表达形式,由P点发出的出射光线经过Q点同样到达T,由费马最短光程原理同样可得Q点,并确定出射光矢量→Οut=→Q-→Ρ|→Q-→Ρ|。再次确定经过P点入射光的法线方向→ΡΝ=n→Οut-→Ιn,可作下一步的计算。按照以上步骤即完成了由P0向P的求值过程,如果将LED光束的中心光束从0~θmin分成几份(其中θmin表示射到中心非球面的入射光的最大入射角,为与以下射到侧面反射面的入射光的最小入射角相对应,这里统一用θmin表示),则可以求出若干个P点,这些P点的连线经360度旋转即构成了中心非球面。2.2基于回转点的tir算法原理设计光路参考图4,在侧面反射面设计中,假定中心非球面的边缘点M0(x0,y0)由上面设计结果已知,并且根据LED光束的特点,将θ0设为90°,并初始确定S0(h,0)的位置。初始入射光矢量→Ιn0=(sinθ0,cosθ0),经过S0M0面折射后,其折射光方向→Ρ0Ν0=n→Οut0-→Ιn0,根据反射定律,在侧面的入射光方向→Ιn1=→Οut0。P0在以S0出发的光线上,即→Ρ0=S0+k→Ιn1,由P0和T,根据费马最短原理可以求得Q0,从而得到反射光方向→Οut1=→Q0-→Ρ0|→Q0-→Ρ0|,再次由→Οut1‚→Ιn1根据反射定律求得P0点的法线方向→Ρ0Ν10=→Οut1-→Ιn1。在确定P0点后,对于稍小于90°的入射光线θ,其方向矢量→Ιn=(sinθ‚cosθ),同样经S0M0面折射后,其折射光方向→ΡΝ=n→Οut-→Ιn,并同时可得到光线与S0M0的交点S,由于S在入射光方向上,有→S=k→Ιn,并根据法线和切线相互垂直的原则,有(→S-→S0)⋅→Ρ0Ν10=0,即可求得S=→S0⋅→Ρ0Ν10→Ιn⋅→Ρ0Ν10→Ιn。接下来求该光线交于侧面的位置P,由于P位于从S发出的光线上,有→Ρ=→S+k→Ιn,与前面一样,侧面反射面是连续的自由曲面,P应位于P0的切线方向上,即有(→Ρ-→Ρ0)⋅→Ρ0Ν10=0,即可得到k=(→Ρ0-→S)⋅→Ρ0Ν10→Ιn→Ρ0Ν10,从而得到P的位置。在得到P及已知T的情况下,可根据费马最短光程原理求得Q,从而得到通过P点经侧面反射面反射的出射光矢量→Οut=→Q-→Ρ|→Q-→Ρ|,亦可求得P处的法线方向为→ΡΝ1=→Οut-→Ιn。通过以上步骤即可得到P0到P的计算,通过从90°到θmin的不断自迭代即可得到一系列的P点,其中θmin即上面所指的从LED出射的光线中射到侧面反射面的最小出射角。将所有P点连成的曲线经360°旋转即完成了TIR透镜侧面反射面的设计。TIR侧面反射面和中心非球面迭代终止条件如下:中心非球面从光线角度0°迭代至光线角度θmin,侧面非球面从光线角度90°迭代至光线角度θmin。即整个TIR完成0°~90°光线的收集,大大提高了光能量的收集效率。以上计算中得到的中心非球面和侧面反射面均为一系列的离散点,在设计中,由这些离散点构成两个样条曲线,再旋转成360°最终形成旋转对称的TIR透镜。设计中不断修改相关参数,最终设计的TIR透镜口径为9.89mm,高度为6.00mm。3tir透镜效果根据上述计算得到的TIR透镜的三维模型如图5所示。将该透镜导入Tracepro,并将LED芯片置于透镜底部,设置芯片光源属性如图1所示,对LED的出射光进行光线追迹,得到TIR透镜的光线追踪图和出射面的照度分布分别如图6和图7所示。从图中可见,经过上述设计的自由曲面TIR透镜会聚后,大发散角的光束得到有效收集,TIR透镜的光线收集效率为95.26%,达到了较高的光能利用率,同时光束出射角较小,大致集中在15°以内。其中照度分布图中的暗圈在后续光线行进中会消失,因为TIR透镜设计的光束汇聚面在照明器件附近,而不在TIR透镜出射面。从图中也可以看出,该透镜在减小光束发散角方面起到了很好的作用,但不能实现出射面的照度均匀性,要实现器件表面的均匀照明,还必须让从TIR透镜射出的光经过一个匀光元件,由于从TIR透镜射出的光束发散角大致控制在15°以内,具有较小的数值孔径,可以保证大部分光线均能进入匀光元件,方便后续光学系统的设计。4tir透镜的初始结构本文以光能利用率构建评价函数,采用光线追迹和结构优化相结合的方法,提出一种自由曲面TIR透镜的设计方法,根据追踪每一条光线的路径获得透镜轮廓曲线上的一系列离散点,对这些离散点进行插值构成样条曲线,旋转拟合曲线即得到TIR透镜的初始结构。在