基于自由曲面的led准直透镜设计

基于自由曲面的led准直透镜设计

led二次光学设计方法这种新型液体光源具有体积小、质量轻、能耗低、寿命长、响应时间短、抗疲劳防滑等优点。特别是，它的抗振动能力可以经历各种剧烈的振动和碰撞。该特点特别适用于军事、警察、安全、户外勘探和其他特殊的照明场所。在远距离照明时对手电的出射角度要求比较高,而大多数LED的光强分布近似为朗伯型分布,其发光角度比较大,为了使光束平行出射以提高LED手电的远射性能、令聚焦更准确,减少光散射,减少硬光下的光斑现象使得光线更加柔和,很多工程设计者尝试通过设计基于自由曲面的二次光学透镜来改善出光效果,即透镜和封装后的LED配合使用。自由曲面以其灵活的空间布局和设计自由度,使得光学系统的结构得到了简化,尤其在照明光学系统的设计中,自由曲面不仅可以自由分配光强,而且可以控制光线角度、光程差等物理量,使其在以LED为光源的照明系统中具有极大的应用价值。目前LED二次光学设计方法主要有以下两种:经验法和方程求解法。经验法主要是通过SolidWorks等三维机械建模软件绘制出光学元件的结构,将设计的结构导入TracePro等光学模拟分析软件中,通过非序列光线追迹来判断照明面上的照度分布以及整个系统的光强分布。由于这种设计的随意性很强,设计者们往往需要多次修改光学元件的结构,多次模拟来完成设计,此类方法并不需要太多的理论计算,经验往往成为了一个至关重要的因素。方程求解法是通过求解一组方程来设计自由曲面的方法,此方程组往往是基于光源的发光特性和所需实现的照明需求建立的,其未知数为曲面上各点的坐标,因此通过求出方程的解析解或数值解,即可得到自由曲面的面型数据并实现所需的照明,免去了反复试验所需的时间,提高了设计效率。本文提出了一种自由曲面设计算法,并通过一个实例设计了一款LED准直透镜,经光学模拟研究表明,此透镜完全达到了设计要求,实现了理想的准直效果。1光栅的运用于led照明的准直光束设计对于LED照明光学系统,主要采用反光杯与透镜两种方式。反光杯主要应用于LED手电、探照灯等需要聚光或准直光束照明的场合。准直型反光杯内表面通常为旋转抛物面,为了获得准直光束,通常将LED光源置于抛物面焦点的位置,这样在理论上就可以获得完全准直的光束,但是在实际应用过程中,由于反光杯高度的限制,从朗伯型分布的LED中发出的小角度光束不会入射到反光杯内表面而是直接出射,使得这部分光束仍保持原有的出射方向而没有受到控制,反光杯高度越低,直接出射的光束越多,出光角越大,如图1所示。通过反光杯获得准直光束的设计方法在实际应用中受到反光杯高度的限制,不能形成真正意义的准直,在一些光学系统高度受限的应用场合并不适用。透镜作为LED照明另一种主要的光形控制手段,不但能产生会聚光束,同时也能产生发散光束,并且可以对LED发出的各个角度的光束进行有效控制,设计自由度大,实现方式灵活。尤其是随着近几年LED照明用自由曲面透镜的兴起,使得各种非圆对称光斑的设计变得更加灵活与便捷,因此透镜在LED照明中得到了越来越多的应用。本文将以透镜设计为手段来实现LED远光手电的特种照明。1.1点pnxn,yn的罪犯身份证建立如图2所示的坐标系。设LED光源位于坐标系原点,透镜前表面为平面,透镜后表面为自由曲面,也是我们需要设计的曲面,图2中a为LED发出的任意光线1在透镜前表面的入射角,b为入射光线1经透镜前表面折射后的折射角,c为折射光线2在透镜后表面的入射角,d为折射光线2经透镜后表面折射后的折射角。设点Pn(xn,yn)为透镜后表面轮廓曲线上任意一点,我们的目标是,在设定的参数条件下求出使最终光线3准直出射的透镜后表面轮廓曲线的解析方程或离散数据点。对于光线1和光线2,由折射定律可得式中n为透镜的折射率。由图2可知,LED发出的任意光线1与透镜前表面的交点为(L,Ltan(a)),则光线2的直线方程可写为对于光线2和光线3,由折射定律可得对于光线2和光线2在点Pn(xn,yn)处的法线,由两直线间的夹角公式可得式中:k1为光线2的斜率;k2为光线2在点Pn(xn,yn)处法线的斜率。由式(1)、式(3)和式(4)可得过点Pn(xn,yn)的切线方程为式(5)中当轮廓曲线被足够细分时,我们可以认为Pn(xn,yn)的后一点Pn+1(xn+1,yn+1)也在切线上,则由式(2)、式(5)和式(6)可得由式(2)和式(5)可知,对每个角度a值都可以求出一系列的k1、k2数组,若距离L已知并给一初始点(x1,y1),再由式(7)和式(8)可得轮廓曲线上一系列的离散数据点。1.2光学模拟分析软件solid对于模拟的应用设光源与透镜前表面的距离L=10mm,LED发出的光线在透镜前表面的最大入射角a=60°,我们的设计目标是要求最终光线出射角小于10°,这样光线才能准直出射。利用迭代方法并结合Matlab编程求出自由曲面在xy平面内曲线的离散数据点(初始点坐标为x=15,y=0,初始点的选取与光学元件的尺寸有关),如图3所示,且表1列出了其中部分数据点。将这些离散数据点导入三维机械建模软件SolidWoks中并拟合成一条连续光滑的曲线,最后将曲线绕y轴旋转一周即可得到透镜的实体模型,透镜模型的外表面即为我们所求的自由曲面,如图4所示。将SolidWorks中的透镜模型另存为光学模拟分析软件TracePro能够识别的格式文件,并将其导入TracePro中,设置好光源属性、材料属性、接受面属性之后开始光线追迹,最后得到光线追迹模拟图、照度分布图和光强分布图,分别如图5、图6和图7所示,这里我们追迹的光线数为500000条。由图5光线的走向可以定性地说明最终光线以准直光束出射,图6显示的光斑半径为8mm左右,而计算的离散数据点表明最后得到的透镜结构半径为7.421087mm,如表1所示,两者非常接近,这说明最终光线以准直光束出射。由图7可以看出光束角范围非常小,且半光强全角为10°以内,达到了我们的设计要求,再一次定量说明最终光线以准直光束出射。由此我们可以判定光学系统达到了准直的目的。2自由曲面光栅照明系统的应用随着大功率LED光通量的不断提高,采用单颗LED为光源的照明系统已能满足许多场合的照明需求。本文以准直光束照明为目标,首先运用描述的光学分析模型并结合数学方法推导出了一组可计算自由曲面轮廓曲线的方程,然后利用迭代方法并结合Matlab编程求出自由曲面轮廓曲