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LED均匀照明在自由曲面透镜设计中的应用研究

来源:学术堂 作者:周老师
发布于:2016-03-03 共2410字
摘要

  近几年来,伴随着经济和科技的快速发展,各种新型光源被开发出来并得到了广泛应用,LED就是新型光源之一,其突出的特点就是“绿色环保”,不仅具有较高的发光效率,同时使用寿命也较传统光源多出近十倍以上。然而LED光源与朗伯光源类似,难以实现均匀照明,为了克服这一难题,需要对自由曲面透镜加以设计,通过自由曲面的构建实现LED的均匀照明。

  一、LED光源特性的简单概述。

  LED是发光二极管的英文缩写,虽然同是固态的发光器件,但是它与传统光源有着明显不同,从材质上讲LED属于半导体材料,具有普通导体十倍以上的发光频率和百倍的响应速度,同时LED自身重量较轻且体积较小,因此其适用范围也有所增加;从光源特性上分析,LED光源与朗伯光源极其相近,LED光分布呈现余弦分布,且余弦分布的角度为零,简单讲就是光沿着垂直于发光面的轴线进行,基于此,LED的光强变化具有以下规律:I(Ф)=I0×COS(Ф),在此等式中Ф代表分布的光线与发光面垂线所构成的夹角,该夹角最大会达到90°,式中I0则为夹角为零时的光强,也就是沿垂线的光线强度。通过以上公式不难看出,LED用于照明时所形成的光线会呈现由中心向四周由强变弱的分布,即形成不均匀的圆形光斑,如果在不进行处理的情况下将LED直接用于照明使用,这种不均匀的光源分布会给生活带来不便,不利于LED在个领域的运用。为了实现LED均匀照明,克服不均匀圆形光斑,在投入使用前需要进行二次光学设计,从而提高LED的发光效率。

  二、自由曲面透镜设计的重要性。

  根据以上分析可知,由于LED光强变化规律影响,如果将LED光源直接用于照明,照明效果不佳,不仅会出现圆形的不均匀光斑,同时其发光效率较低,为了克服这些缺点,需要对LED光源进行二次光学设计,就是在无能量损耗或者能量损耗极小的情况下,实现LED光源的均匀照明。基于自由曲面具有控制光线角度和分配光强等优势特点,在实现LED均匀照明中被广泛采用。我们知道发光二极管体积较小,其芯片大小一般为1mm×1mm,因此可将LED视为点光源进行配光设计,通过控制光线的发光角度,使光线均匀的分布在发光面上,根据多年的研究经验表明,自由曲线透镜可实现LED均匀照明的效果,通过实验数据的具体分析,设计自由曲面透镜具有重要的意义。自由曲面透镜的设计,不仅克服了LED自身存在的缺陷,同时还提高LED光源的发光效率,进一步扩大LED在社会生活中的应用范围。

  三、自由曲面透镜设计方法。

  顾名思义,自由曲面具有明显的不规则性,其曲面主要是自由实现的,难以用统一的表达公式进行描述,因此在进行透镜设计时会具有一定的难度。目前,我国主要采用的自由曲面透镜设计方法有两种,其中微分方程法最为普遍,其次便是划分网格法,除此之外还有其他的一些设计方法,比如说SMS方法、参数优化法。本文主要通过对划分网格法和微分方程法进行具体分析,望能为同行业人士带来借鉴与参考。

  (一)划分网格法。

  1 划分网格法的简要概述。

  划分网格法用于透镜设计非常的直观,主要是在遵守能量守恒原理的情况下,对LED光源和其照明面进行同规则的分割,实现光源对应点与照明面的映射关系,之后通过迭代计算求解面型数据。因此这种设计方法具有非常高的精准性,同时由于不需要误差分析,设计效率也较高。

  2 设计原理。

  图1是自由曲面透镜表面生成示意图,自由曲面透镜设计采用划分网格法时,其设计原理如下:

  首先,选择LED光源的出射角度,在光源的出关方向构建平面坐标系,给定照明面的初始点后,根据能量守恒原理进行计算,确定光源离散点与照明面给定点的对应关系,完成第一个LED光源I0与照明面的映射关系的计算。

  其次,透镜的初始点确定,应在初始光线的传播路径上,并根据光的折射原理找出初始点的法向量,进而确定初始点的切平面。初始点出的单位法矢量计算公式为:

  该式中n为自由曲面介质的折射率。

    最后,通过以上初始点的切平面确定曲面的第二个点坐标Q11,该点即为第二条入射光线I11与切平面的交点,以此类推,从而得出全部光源对应点与照明面的映射关系。借助与计算机系统,将以上所有映射关系进行迭代计算,自由曲面的表面坐标从而确定,其面型也相应得出。

  (二)微分方程法。

  1 微分方程法的简要概述。

  微分方程法主要通过利用偏微分方程求解,将自由曲面的面型数据计算得出,由于该方法具有非常强的目的性,因此获得面型数据的时间较短,但是由于偏微分求解较为困难,同时自然界还存在很多的不可解方程,因此需要设计人员具有很强的数学基础。

  2 设计原理。

  微分方程法求解自由曲面的面型数据时,最关键的是构建微分方程,通过自由曲面上点与照射平面点之间的关系,得出一阶偏微分,再根据数值进行计算求解。基于此,首先应通过坐标系的建立明确光点位置,通过空间坐标的构建,结合能量守恒原理公式,将两点的关系式进行表达。根据以往的设计经验,LED光源应为坐标系的原点,假设三维坐标系上自由曲面有一点p(θ,Φ,p(θ,Φ,)),同时用t(x,y,z)来表示照明面上的一点,利用光的折射定量和能量守恒定量,将点P与点t之间的关系表达出来,从而能够得出p(θ,Φ)在θ与Φ的一阶微分方程式,根据数值进行求解即可得出对应的自由曲面的面型数据。

  结语。

  综上所述,由于LED直接用于照明时会产生不均匀的圆形光斑,而自由曲面可控制光线角度,可对LED在照明使用时的这种不足进行弥补,实现LED均匀照明,因此对自由曲面透镜设计具有重要意义,可大大提高LED的发光效率。随着科技水平的不断发展,自由曲面透镜的设计方法不断的推陈出新,人们加大了对透镜的设计,促进了LED在社会生活中的广泛应用。

  参考文献。

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  [2] 赖丽萍,庄其仁,刘士伟,胡奕彬 . 用于 LED 平板灯面板均匀照明的自由曲面透镜设计与实现 [J]. 红外与激光工程,2015(02):561-566.

  [3] 张康,苏成悦,王维江 . 均匀照明方形光斑的 LED 自由曲面透镜设计 [J]. 照明工程学报,2014(01):82-88.

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