为您的激光二极管选择准直透镜
由于我们的中红外激光器具有高发散特性，因此需要使用准直光学元件。非球面透镜不会引入球差，常用于所需光束直径在1 - 5毫米的应用。下方给出的简单例子说明了在针对给定应用选择正确透镜时应考虑的关键规格。
举例：
所用激光二极管：L780P010
所需准直光束直径：?3毫米（主轴）
L780P010激光二极管的规格表明其典型水平和垂直方向上的发散角分别为10°和30°。因此，当光束传播时，将会出现椭圆形的光束。为了在准直过程中尽量收集光线，因此在计算时应选用其中较大的发散角（即，在该情况下选用30°发散角）。如果您希望将这种椭圆形的光束转换为圆形光束，我们建议使用变形棱镜对，它可以只在一个轴方向对光束进行扩束。
LD = 激光二极管
? = 光束直径
Θ = 发散角
根据上述信息，获得所需光束直径的透镜焦距可以由下式计算：
根据上述信息，这时就可以开始选择合适的准直透镜。Thorlabs公司提供大量非球面透镜供用户选择。对于上述情况，最理想的透镜是焦距在5.6毫米附近的-B增透膜模压玻璃非球面透镜。C170TME-B（易安装）或352170-B
（未安装）非球面透镜的焦距为6.16毫米，通过它们可以得到直径为3.3毫米的准直光束（主轴）。下一步，检查激光二极管的数值孔径（NA）是否会小于透镜，如果小于透镜，激光二极管发出的光束将会被透镜遮挡：:
0.30 = NA Lens > NA Diode ~ sin(15) = 0.26
LED准直照明的自由曲面透镜设计 Jin-Jia Chen, Te-Yuan Wang, Kuang-Lung Huang, Te-Shu Liu, Ming-Da Tsai, and Chin-Tang Lin 1、电气工程学院国立彰化师范大学系，士达路，彰化50074，台湾 2、光电与能源工程，明道大学，369文华路，Peetow，彰化52345，台湾 * jjchen@https://www.doczj.com/doc/b810703571.html,.tw 摘要：我们提出一个简单的镜头自由曲面设计方法应用到LED照明的准直。该方法是从 基本的几何光学分析及施工方法得出。通过使用这种方法，一个高度准直透镜与为 1.0mm ×1.0毫米LED芯片的尺寸和86.5％下的±5度的视角的光学模拟的效率构成。为了验证该透镜的实用性能，准直透镜的原型也制成，并且90.3％具有4.75度的射束角的光学效率被测量。 ?2012美国光学学会 OCIS代码：（220.2740）几何光学设计; （220.4298）非成像光学系统; （220.2945）照明设计; （230.3670）发光二极管。 参考文献 1.H. Ries and J. Muschaweck, “Tailored freeform optical surfaces,”J. Opt. Soc. Am. A 19(3), 590–595 (2002). 2.P. Benítez, J. C. Mi?ano, J. Blen, R. Mohedano, J. Chaves, O. Dross, M. Hernández, and W. Falicoff, “Simultaneous multiple surface optical design method in three dimensions,”Opt. Eng. 43(7), 1489–1502 (2004). 3.Y. Ding, X. Liu, Z. R. Zheng, and P. F. Gu, “Freeform LED lens for uniform illumination,”Opt. Express 16(17),12958–12966 (2008). 4.L. Sun, S. Jin, and S. Cen, “Free-form microlens for illumination applications,”Appl. Opt. 48(29), 5520–5527 (2009). 5.F. R. Fournier, W. J. Cassarly, and J. P. Rolland, “Fast freeform reflector generation usingsource-target maps,”Opt. Express 18(5), 5295–5304 (2010). 6.W. Zhang, Q. Liu, H. Gao, and F. Yu, “Free-form reflector optimization for general lighting,” Opt. Eng. 49(6), 063003 (2010). 7.G. Wang, L. Wang, L. Li, D. Wang, and Y. Zhang, “Secondary optical lens designed in the method of source-target mapping,”Appl. Opt. 50(21), 4031–4036 (2011). 8.V. Medvedev and W. A. Parkyn, Jr., “Screen illumination apparatus and method,”US Patent 6166860 (2000). 9.D. Weigert and D. Chin, “Spotlight with an adjustable angle of radiation and with an aspherical front lens,”US Patent 6499862 B1 (2002). 10.A. Domhardt, S. Weingaertner, U. Rohlfing, and U. Lemmer, “TIR Optics fornon-rotationally symmetric illumination Design,”Proc. SPIE 7103, 710304, 710304-11 (2008).
准直TIR透镜的TracePro模拟过程 说明：本例只讲解我用TP的模拟过程，不是TP的使用手册之类，讲解有误或不清楚的地方请见谅。本例不讲解透镜的设计方法，请不要追问如何设计透镜。 最后提一个要求：不喜勿喷。 作者：虫洞里的猫 准直TIR透镜，是指在原点的点光源经过透镜后光线能平行出射的透镜，但由于LED的发光面都是面光源，因此LED经过此透镜后不可能是平行光出射，但其出光角度会是最小值。 本实例以已设计好的准直TIR透镜为例，逐步演示TracePro的模拟过程。 1.插入3D文件 TracePro可以打开多种3D格式的文件，最方便的是直接插入零件，但此过程只能使用.SAT格式的文件，如下图的过程。
如果你的3D文件是其它格式，如STEP等，则可以用TracePro直接打开，具体过程为：文件-打开，在打开的对话框的下拉菜单中选择合适的格式。 2.设置光源 2.1 设置档案光源 2.1.1 方法一 设置光源可以有很多方式，但最直接也最准确的是使用光源文件，在TracePro中也称为档案光源，TracePro可用的档案光源主要有.DAT或.RAY格式的。此文件可以从LED厂家的官网上下载，本实例使用的LED为CREE公司的XLamp XP-E。如下图，XP-E Cool White Optical Source Model - TracePro (zip) (42 MB)是适合TracePro使用的光源文件，其网站地址为：https://www.doczj.com/doc/b810703571.html,/LED-Components-and-Modules/Products/XLamp/Discrete-Directional/XLa mp-XPE。
用ZEMAX设计简易LED准直镜 一. 初始解的构建 1. 为了简单采用此透镜由三部分构成: A. 全反射部分, B. 折射部分, C.切除部分(这一部分在设计时也可以不考虑,可以在设计完成后再加入) 图中光束分两个部分, 一部分为折射部分,另一部分为全反射部分, 可以看出,折射部分光束为三段,全反射部分光束分为四段,由于是平行光出射, 所以在优化时只要考虑第三段就可以了. 初始数据: 1) 几何体部分 TIR部分是一个非球面透镜,中间部分是一个标准透镜(有曲率和圆锥系数),切除部分是一个圆柱体; 注意中间的透镜部分的材料为空气,因为它相当于也是被切除掉的.
2) 光源部分 我们用SOURCE RAY做为光源, 这样可以NSRA来进行优化; 光源的生成与操作数的建立按如下的MACRO可以自动生成: steps=90 incr=90/steps #max angle is 90 degree pi = 4*ATAN(1) dr = pi/180 startobj=4 For i,0,steps,1 angle = i*incr oo=i+startobj InsertObject 1,oo SetNSCProperty 1,oo,0,0,"NSC_SRAY" # surface,object,code,face,value SetNSCProperty 1,oo,3,0,2 # source inside of object 2 SetNSCPosition 1,oo,4,angle SetNSCParameter 1,oo,1,1 #layout rays SetNSCParameter 1,oo,2,1 #analysis rays tar = 0 opr = i+1 InsertMFO opr setoperand opr, 11, "NSRA" setoperand opr, 3, oo # src# setoperand opr, 6, 3 # seg# setoperand opr, 9, 1 # weight setoperand opr, 7, 5 # y coordinate setoperand opr, 8, tar # tar Next update 我们每隔一度产生一条光线,最终的结果如下, 从图中可以看出,光线都不是平行的. 这里注意要调整参数保证所有光线都大概的按预期的方向会聚!!
一个关于led灯珠的准直透镜的自由曲面设计 陈金佳光学学报 林石塘 国立彰化教育大学 电机工程学系 台湾，彰化，50074 师大路2 电子邮件：jjchen@https://www.doczj.com/doc/b810703571.html,.tw 摘要。自由形式的准直透镜的设计方案是由LED光源发出的光线追击到一个原平面。一般来说，投影距离假定为100多米，光束有微不足道的分歧。一个透镜是由总反射（TIR）侧面，在后方的球面，在垂直平面前的外层部分，和在自由屈光面前的中央部分组成。从LED源发出的大角度的光线击中TIR表面平行于光轴被重定向反射出，再和那些有小的扩散角度光线一起经过一个自由屈光面，最终平行光轴射出。计算机模拟结果表明，81.5％的光效下±5°的视角的要求，可用面积为1平方毫米LED光源实现。 1引言 由于LED光源具有亮度和能耗低，反应速度快，寿命长，不含汞等优良特性，并明显的改善，近年来它在室内室外照明上得以广泛应用。因此，越来越多的国家和行业已经花费了大量的财政和人力资源在LED光源和灯具的研究和发展上。然而，发光二极管与传统光源相比，高度集中的光分布和非常低的亮度，因此，他们需要额外的光学，称为二次光学元件，以提高其光效和生产规定的照明。许多例子，发光二极管可用于各种普通照明系统，汽车大灯，LCD背光模组，其中大部分是与自由形式曲面设计，以获得规定的光分布。这些方法一般需要翻译成合适的差分方程的基础上的反射和折射定律的非成像的问题。然而，解决这类微分方程是复杂和具有挑战性的，它需要一个数值方法。其他一些方法可能不需要求解微分方程，然而，他们用来构造自由曲面光学表面是复杂的。 由于涉及的准直透镜，其中有许多各种各样的应用，如探照灯，射灯，手电筒，夜视系统，传统的设计方法包括各种已知圆锥或非球面光学元件，以实现准直的功能。然而，从源头上发出的光线不能得到有效利用。要解决这问题得到良好性能，对光源器件要求极高。另一方面在透镜的TIR表面可以纳入一个单一的机构，所有光学元件，体积紧凑，实现全光射线利用率。因此，最近已经吸引了许多有趣的应用。因为传统光源的LED光源的半空间分布不同，准直透镜的TIR表面需要专门设计的。尤其是复杂的光学表面应采用高品质的镜头。在本文中，我们提出了一个近似的方法来构建一个基于LED的准直透镜，其中包含一项TIR侧表面和自由曲面在前面中央部分的屈光面，并可以用一个简单的几何关系和一个三维（3D）模型模拟。由于解决TIR表面和自由曲面的方法很简单，不需要求解微分方程，它的算法是简单，直接，方便地实现。 一般准直透镜的结构，被认为是旋转对称的，因此可以在一个两维的（2D）空间操作。此外，镜头的设计是基于一个理想的点光源，而LED是2πsr立体角的面光源，并明显地影响镜头的性能。因此，为实现一个实用的LED光源应用
基于大功率LED准直透镜的研究设计 常见的大功率LED二次透镜的剖面一般具有如下结构： 其作用是通过曲面1的折射和曲面2的全反射改变LED发出的光线方向以实现配光的重新分布。本文主要通过理论计算分析适用于准直透镜的曲面设计。以下将曲面1和曲面2，分开讨论，讨论前需假设他们具有一个共同的分界角A，这样从LED发出的光线必然能被曲面1折射或曲面2全反射。 第一部分：首先讨论中间的准直透镜部分：如下图所示，取透镜中心为Y轴，径向为
决定TIR 透镜的中心准直透镜的参数主要为：r n A max,所以可以把这三个参数当做已知参数，进而推导出y 与x 的关系，然后拟合成非球面曲线，那么就可以得到中心准直透镜的非球面系数。具体推导如下： (a) 先求出Pn+1点所在光线方程： 由坐标图，我们可以知道，Pn+1点所在光线所在的直线的斜率为1k ， 其中1cot k A =， 那么其光线方程为 1cot y A x =? (1) (b) 再求Pn 点所在切线方程： 设Pn 点所在切线切线的斜率2k ，且为过点Pn (Xn ,Yn)，因此应该具有如下形式： Yn Xn x k y +-?=)(22 由于角D 与角C 的和为90°，那么Pn 所在切线斜率2cot tan k D C ==， 这样只需求出C 既可。 由折射定律sin sin B n C =，则角arcsin(sin )B n C =? 于是问题转换为求角度B 。这可以通过光线的斜率1k 和Pn 所在法线的斜率2 31k k -=求出。 由两直线夹角公式:111cot 132tan tan 1cot 113112tan k A k k k C B k A k k k C + +-===+?-- 于是有:1cot tan tan[arcsin(sin )]cot 1tan A C n C A C + ?=- 经过进一步的计算，便可以解得：212121 212)1(*1k k n k k n k -+-+= 于是得Pn 点所在切线方程： Yn Xn x k y +-?=)(22 (2) 可以近似认为Pn 的邻点Pn+1也在该切线上。
1 LD 快轴准直透镜FAC: 从初级像差设计到ZEMAX 建模 以某公司的LD 快轴准直透镜为例说明其光学设计主要步骤，所用的方法为初级像差设计+zemax 建模. 初级像差方法的技术细节，可参考任一光设经典书籍。zemax 建模仅涵盖性能评估+优化+应用，制造分析如公差+出图在此不予讨论。 希望对各位有所帮助。(zemax 版本为 2005) 图中所选为感兴趣的LD 快轴准直透镜，设计步骤：先是用倒描光路方法进行初级像差设计和zemax 序列模式建模及优化， 然后是zemax 非序列模式应用举例。 1， 已知参数： ? 平凸柱面镜：非球面面型 ? Wave=808nm ? NA=0.5， EFL=0.9mm ， BFL=0.09mm ，W=1.5mm ， H=1.5mm ? N-LaF21, n=1.77584@808nm ? LD 快轴发散角FWHM=35° ? HB/XB 级别质量：准直光束85%/90%能量角度θ=+/-1mrad (+/-0.0573°).
2 2， 高斯光学计算： ? LD 1/e^2发散角=35°*0.85=29.75°=0.52rad, 束腰直径=2*0.808/(3.1416*0.52)=1um; 视场角0.06°，典型大口径小视场光学系统，轴上球差是主要的像差. ? 焦面弥散斑最大允许直径：δ= EFL*2θ=1.8um ------系统性能评估目标； ? 凸面曲率半径R1=(n-1)*EFL=0.6983mm, 厚度d=1.5 mm------系统初始结构参数； ? BFL=EFL-d/n=0.055. ? NA=0.5, F#=1, h1=0.45, u1=0.5, h2=h1-d*u1/n=0.45-1.5*0.5/1.77584=0.028, 可见h2非常小. 3， 初级像差设计: ? 整体透镜可视为一凸平薄透镜 + 厚度d1.5 mm 玻璃平板的组合； ? 如考虑到凸面面型为球面, 透镜的球差系数S=S1+S2 S1=h1*P 为平凸薄透镜球差系数, S2=-(n^2-1)/n^3*d*u1^4为玻璃平板球差系数. 透镜弯曲Q=-1, 所以P=1.21, S1=0.068, S2=-0.036, S=0.032. 如若用非球面来校正轴上球差, 则可计算凸面的一阶非球面系数conic: conic=-e^2=S*R1^3/((1-n)*h1^4)=-0.3424 ? 综上, 可得到该快轴准直透镜的系统参数及初始结构参数: F#=1, Wave=808nm, FOV=0 面1: R0.698, d1.5, n1.77584, conic=-0.3424 面2: R0, d0.055