基于slonl的led灯具透镜设计

基于slonl的led灯具透镜设计

0led照明技术杨氏多量化钾光刻冲程装置（light）具有体积小、寿命长、电机电压低、光谱强度稳定、光谱转换效率高、光谱覆盖大、环保节能等特点，并在照明行业发挥重要作用。根据我国开展的绿色照明工程调查显示,中国能源消耗总量12%是用于照明,如果LED照明技术能够完全取代传统白炽灯照明技术,大约可节省30%的照明用电,这对能源日渐紧张的当今社会,无疑具有重要的意义。LED光源用于商场或工厂等室内照明,需要在照明接收面上得到较大范围的且均匀的照明区域。而经过原始封装好的LED光源的发光形式是辐射角约100°~120°的朗伯体分布,即发光光强正比于极向角余弦的光分布。图1显示的是未经重新配光设计的LED光源在接收面的照度分布图和角分布图。从图中可以看到,未经过光学设计LED光源发光范围小,照明区域不均匀,投射到接收面上的光线分散,照明区域小,不能满足特定的室内照明需要。因此,对于封装好的LED光源再做一次光学设计,即二次光学设计,使之满足室内照明的特殊需要是LED灯具设计的一个重要过程。1自由曲线透镜的二次光学设计方法1.1可实现二次光学自由曲面透镜的优点传统二次光学照明设计,是基于成像光学的方法,先建立一个初步的光学结构,再利用光学设计计算软件,在最初的光学结构的基础上利用最小二乘法不断优化改进,从而达到满足照明条件的结果。这种优化方法的优点是计算结果比较准确,其缺点也是比较明显的:计算优化对数学要求较高,消耗时间较长,对用于模拟计算的计算机配置有很高需求,而且对设计人员的计算编程能力要求也比较高。为了解决传统光学设计遇到的以上问题,本文提出一种新的易于实施计算的LED二次光学自由曲面透镜的设计方法,这种方法设计出的二次光学透镜配合LED光源,可以在接收面达到大范围均匀照明的效果。其实现原则是:基于能量守恒定律,对LED朗伯体型光源的发光通量和目标圆形接收面建立一一对应关系;遵循光线折射Snell定理,通过线性方程计算透镜曲面点坐标,并借助三维计算机辅助软件(CAD)构造二次光学自由曲面透镜。1.2sell定律构造目的区域用区域分割的方法实现接收面均匀照明,其基本思想如图2所示:将全空间的出射光线按照极向角的度数做一定数目的区域分割,将照明接收面对应分成相同数目的区域,这些区域的面积大小、比例取决于前面按照极向角分割的各区域光线的光通量之比。经上述分割后,相邻极向角度范围内的所有光线能量(即光通量)和接收面的几何区域就可以建立一一对应关系。利用光线折射的Snell定律,由LED光源发出,依照极向角分割的每个区域的全部光线投射到与之对应的接收面几何区域上。由于某个接收面的照度大小等于投射到该区域的光通量除以该区域的面积,因此,在前文所述的操作下,整个接收面可以达到均匀照明的效果。1.3极向角ue钢绞线封装后的LED发光呈约120°的朗伯体型光源形式,即:I(θ)=I0cosθ,其中I0是LED光源中心光强,θ是出射光线与竖直方向极轴的夹角。定义φ为光源出射光线与轴向方向的夹角,则总光通量可以由发光光强对全空间的积分得到:首先对极向角θ作均匀分割,本文设定的LED光源极向角的范围为0°~60°,将极向角平均分成100个区间,根据式(1)容易求得,对于θi到θi+1之间区域的光通量为其后对照明接收面分割,定义:αi=ue788i/ue788total,在目标圆形接收面上划分100个同心圆,这100个同心圆区域满足规则:第i个圆和第i-1个圆之间所夹的环形区域的面积与整个圆形接收区域面积的比值正好等于αi。对于所选发光光源,极向角在θi到θi+1的区间的所有光线被限制在第i个圆和第i-1个圆之间所夹的环形区域中。于是建立了光源能量和接收面区域的一一对应关系,由前文论述可知,接收面被分割的每份区域照度值都相等,即整个接收面可以达到均匀照明的效果。1.4算法的基本过程光线折射的Snell定理是:其中,n为制作透镜材料的折射率,I、O分别为入射光线与出射光线的单位方向向量,N为法向方向的单位方向向量。对于实现大范围均匀圆形照明,由于出光光源和接收面均相对极轴呈中心对称,因此只需选定一个过极轴的截面,并在该截面上计算自由曲面透镜在该截面上的相应折射点后,将这些折射点连接成曲线并绕极轴旋转360°即可得到自由曲面透镜实体。图3所示是计算透镜截面上点坐标的几何示意图。定义光源中心与透镜顶点P0(R0=0,H),在P0点上透镜的法向量N0=(0,1),并且第i条入射光线的入射方向单位向量已由极向角θi确定,Ii=(cosθi,sinθi)用递推法构造自由曲面透镜上的点,在已知透镜上的点Pi(xi,yi)和法向量Ni时,可由下面的递推方法求得Pi+1(xi+1,yi+1)及法向量Ni+1:(1)在Ii+1的方向上取Pi+1(xi+1,yi+1),满足PiPi+1连线与Ni垂直,利用平面解析几何的方法,容易求出Pi+1的横纵坐标分别满足(2)在得到Pi+1∶(xi+1,yi+1)的坐标之后,由于第i+1条入射光线,入射到透镜上点坐标为Pi+1(xi+1,yi+1),并在该点经透镜折射到接收面上的坐标点Mi+1∶(Ri+1,H),于是可以计算出出射方向的单位矢量Oi+1:(3)将新得到的Oi+1结合已知的Ii+1代入Snell方程中,即可求得透镜曲面在Pi+1(xi+1,yi+1)处的法向量Ni+1的值。将新得到的法向量Ni+1的值重新代回递推方法中,即可推出整个截面上LED光学透镜的轮廓点坐标。将这些坐标点连接成曲线用CAD软件绕极轴旋转360°并经由实体化处理后,得到透镜实体如图4所示。递推算法由Matlab编程计算实现,整个过程用Intelcore2双核2.4G处理器计算,程序运行时间小于10s。因此,该设计方法提高了LED照明灯具透镜二次光学设计的效率。2tacepro的光跟踪模拟本文利用了基于蒙特卡罗方法的光学追迹软件Tracepro建立模型对接收面的照明效果进行模拟。光学模型的建立和模拟光学模拟追迹软件Tracepro是LambdaResearchCorporation研制的一套以ACISSolidModelingKernel为基础的商用光学软件,被广泛应用在镜头设计,背光源设计,LED灯具照明设计模拟等方面。Tracepro利用普适光线追迹技术来追迹光线,这种技术允许操作者将光线引入到构建完毕的模型中,在光线与模型的交界点,个体光线根据表面性质遵从吸收、反射、衍射和散射等规律,从而得到整个空间的光学分布。用Tracepro建立光学模型并模拟计算的一般流程是:(1)建立几何模型;(2)设定光学材质;(3)定义光源参数;(4)开始光学模拟;(5)分析模拟结果。由于Tracepro兼容ACIS固体模型标准,因此用一般CAD软件如solidworks,AutoCAD,Pro/E等构建出的模型,都可以导入Tracepro建模进行光学追迹模拟。确定led接收面为二次光学透镜的可行性本文中的光学模拟部分光源采用25颗集成大功率1mm×1mm的LED芯片,光效设定为100lm/W,总光通量为2500lm。将透镜设置在距接收面上方3m高处,LED集成光源出光极轴方向垂直于接收面,照明接收面设定为直接为10m的圆形区域。自由曲面透镜的材料选择BK7玻璃,该材料折射率约为1.51。在Tracepro中建立光学实体模型,表面光源发出的光线总数为100000条。通过光学追迹模拟后,得到如图所示的接收面的照度分布如图5所示。从图5(a)整个接收面照度分布看到在直径为10m的圆形接收面区域,均匀度可以达到80%以上(均匀度定义为整个区域最低照度除以整个区域平均照度);而由图5(b)区域坐标系(即水平轴)照度分布图看出,在水平方向坐标为-5m到5m的区域内的接收面照度基本相同,近似于在整个接收面的最大照度值;而水平方向-5m和5m之外的区域照度迅速减小,说明LED光源发出的光通量被限制在选定的照明接收区域中;由图5(c)发光光源光强角分布图看出,光源发射出的光通量能够在较大的角度出射。综上可述,此LED二次光学透镜可以在光学接收面实现大范围均匀照明的效果。因此本文设计可以被应用在商场,工厂作业等需要大范围均匀照射的LED室内照明灯具的设计上。3次光学透镜提出了一种新的易于运算的LED二次光学透镜设计方法,基于光线折射的Snell定理和能量守恒定理,将LED发光光源出射的光通量和接收面区域环形区域一