用于标准散射体定标的均匀照明光学系统设计

第35卷第1期2009年1月 光学技术OP T ICA L T ECHN IQ U E V ol .35No .1Jan .　2009 文章编号:1002-1582(2009)01-0074-03LED 照明系统的光照均匀性设计吴仍茂,屠大维,黄志华,赵其杰(上海大学机电工程与自动化学院,上海　200072)摘　要:随着大功率L ED 发射光强的不断提高,采用单粒LED 为光源的照明系统已能满足许多场合的照明需求。

根据非成像反射器的设计方法,研究了一种以单粒L ED 为光源的照明系统光照均匀性问题,提出了一种能实现目标平面特定区域内的照度值为常数的光反射器面形设计方法。

该方法根据目标平面上的照度分布函数建立微分方程,通过求解微分方程得到反射器面形轮廓的函数,根据该函数建立照明系统的模型,用ASAP 对该模型进行光线追迹,得到系统的光照均匀性,并进而确定适合数控加工的反射器面形数据。

关键词:应用光学;L ED 照明;照明均匀性;反射器中图分类号:O432.2 文献标识码:AIlluminative uniformity design of a LED illumination systemWU Reng -mao ,TU Da -wei ,H UANG Zhi -hua ,ZH AO Qi -jie(Co llege of M echatronics Engineering and A utomation ,Shanghai University ,Shanghai 200072,China )Abstract :With the increasing of emission intensity of hig h power L ED ,illumination system with a single LED light source can meet requirements in many fields .T he illumination uniformity of such kind of illumination sy stem with a single LED lig ht source is studied .Acco rding to no nimaging reflector design method ,a metho d of designing surface profile of the reflector which can let ir radiance of the desired area on the target plane be constant is presented .A differential equation is established with this method based on the radiance distribution functio n of the target plane ,and the function of surface profile o f the reflector is ob -tained by solving the differential equation .M odel of the illumination sy stem is constructed by ray s tracing with ASA P software .Illumination unifo rmity of the sy stem is obtained ,and da ta of the surface profile for N C manufacture is obtained finally .Key words :applied optics ;L ED illumination ;illuminative unifo rmity ;reflector0　引　言LED 是21世纪具有竞争力的新型固体光源,它具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长、可靠耐用、无污染、控制灵活等优点。

体散射集成液晶导光板的设计体散射集成液晶导光板（Integrated Scattering Liquid Crystal Light Guide，简称IS-LCLG）是一种新型的光学器件，具有高效的光能利用率和均匀的光输出特性。

本文将介绍IS-LCLG的设计原理、制备方法以及应用前景。

一、设计原理IS-LCLG的设计原理基于体散射效应和液晶分子的定向调控。

液晶分子具有自发极化能力和定向排列的特性，当电场作用于液晶分子时，其分子定向发生改变，从而改变光的传播方向。

通过在液晶层中引入微小的散射体，可以实现对光的散射和折射，从而实现光的均匀输出。

IS-LCLG的核心结构由液晶层、散射体层和反射层组成，通过合理设计这些层的结构参数和材料特性，可以实现高效的光能转换和光输出。

二、制备方法IS-LCLG的制备方法主要分为三个步骤：液晶层的制备、散射体的引入和反射层的涂覆。

首先，制备液晶层，可以采用常规的液晶材料和工艺，通过涂布、烘烤等步骤得到均匀的液晶层。

接下来，在液晶层中引入微小的散射体，可以采用多种方法，如溶剂浸渍、微纳米颗粒悬浮液浸渍等，以实现均匀且适量的散射。

最后，涂覆反射层，可以使用光学薄膜技术，在液晶层的一侧涂布一层高反射率的材料，以增强光的反射和输出效果。

三、应用前景IS-LCLG作为一种新型的光学器件，具有广泛的应用前景。

首先，在照明领域，IS-LCLG可以作为一种高效的光源模块，用于室内照明、汽车照明等场景，可以实现均匀的光输出和节能的效果。

其次，在显示领域，IS-LCLG可以作为显示屏的背光模块，提供均匀的背光光源，从而提高显示屏的亮度和视觉效果。

此外，在光通信领域，IS-LCLG可以用于光纤通信系统中的光源和耦合器件，实现高效的光能转换和传输。

另外，IS-LCLG还具有柔性、可调性和可重构性等特点，可以应用于人工智能、虚拟现实等领域，为相关设备提供高质量的光源和光学功能。

体散射集成液晶导光板是一种具有高效光能利用率和均匀光输出特性的光学器件。

实现均匀照明的自由曲面光学透镜设计作者：周延桂来源：《科技视界》2019年第12期【摘要】常规LED通常不能直接用于照明场景下，因此需要对其进行二次光学设计。

本文针对LED的发光特性，分析了其发光空间和被照面之间的能量拓扑映射关系，并通过迭代算法，构建出自由曲面透镜模型，最后在光学仿真软件中实现了LED的均匀照明效果。

在教学过程中，通过对LED照明设计方法的讲述和计算流程引导，能有效培养学生对复杂设计问题的分析能力。

【关键词】LED;自由曲面;照明配光设计中图分类号： TM923.34 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）12-0032-001DOI：10.19694/ki.issn2095-2457.2019.12.014【Abstract】Conventional LED cannot be directly used in lighting scenarios，so secondary optical design is needed.In this paper，according to the luminous characteristics of LED，the energy topological mapping relationship between the luminous space and the illuminated surface is analyzed，the energy mapping grid is divided， and the free-form surface lens model is constructed by iteration algorithm.Finally，the uniform illumination effect of LED is realized in the optical simulation software.In the teaching process，through the description of LED lighting design method and the guidance of calculation process，students can effectively develop their ability to analyze complex design problems.【Key words】LED;Freeform Surface;Lighting Distribution Design发光二极管（light-emitting diode，LED）目前已经广泛应用于照明领域，具有广阔的市场前景[1]。

cie标准照明体和光源
CIE标准照明体是国际照明委员会（CIE）制定并推荐使用的
一种标准照明光源。

它是为了评估和比较不同光源的颜色和光学性能而设计的。

CIE标准照明体是一种理论上的光源，被认为具有较为均匀的
光谱分布和特定的光色温度。

其光谱分布基于人眼对不同波长光的相对感兴趣度，并参考了不同照明应用的光色温度要求。

CIE标准照明体一般由理论上的辐射源和基于观察者对不同波
长光的相对感兴趣度的标准眼响应函数所定义。

常见的CIE
标准照明体包括标准白炽灯（A类）、草坪灯（B类）、几何
均匀光源（C类）、高压钠灯（D类）等。

光源是产生光能的物质或设备。

常见的光源包括太阳、白炽灯、荧光灯、LED灯等。

在照明领域，选择适合的光源对于实现所需的照明效果至关重要。

不同光源的光谱特性、颜色温度、色彩还原性等特性会对照明效果产生影响。

因此，了解和选择适当的光源是进行照明设计和选购照明产品时需要考虑的重要因素之一。

第３５卷第４期２０１４年７月应用光学ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓＶｏｌ．３５Ｎｏ．４Ｊｕｌ．２０１４文章编号：１００２－２０８２（２０１４）０４－０５９８－０５基于ＬＥＤ阵列与漫反射自由曲面的均匀照明光源设计刘百芬，金小龙，祝振敏（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌３３００１３）摘要：提出一种由平面ＬＥＤ阵列与高漫反射率自由曲面构成的间接照明方式。

基于ＬＥＤ光源与理想漫反射表面的朗伯特性，构建照明系统的数学模型。

根据目标平面预期的光强分布，建立一组微分方程，利用数值方法求解得到漫反射自由曲面的面形轮廓，通过光学软件对该漫反射光源系统实体模型进行非序列光线追迹仿真，模拟结果显示检测区域辐照均匀度达到９０％以上，验证了该方案设计均匀照明光源的正确性与有效性。

关键词：应用光学；均匀照明；自由曲面；漫反射中图分类号：ＴＮ３６４．２；ＴＭ９２３．０１文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１４３５．０４０１００８ＵｎｉｆｏｒｍｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｂａｓｅｄｏｎＬＥＤａｒｒａｙａｎｄｄｉｆｆｕｓｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｆｒｅｅｆｏｒｍｓｕｒｆａｃｅＬｉｕＢａｉｆｅｎ，ＪｉｎＸｉａｏｌｏｎｇ，ＺｈｕＺｈｅｎｍｉｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎｉｎｄｉｒｅｃｔｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｗｉｔｈｆｌａｔＬＥＤａｒｒａｙａｎｄｄｉｆｆｕｓｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｆｒｅｅｆｏｒｍｓｕｒｆａｃｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＬａｍｂｅｒｔｉａｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＬＥＤｓａｎｄｉｄｅａｌｄｉｆｆｕｓｅｓｕｒ－ｆａｃｅ，ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ａｓｅｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｅｑｕａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｅｎｅｒｇｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔａｒｇｅｔｐｌａｎｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｓｅｅｑｕａ－ｔｉｏｎｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ，ｔｈｅｏｕｔｌｉｎｅｏｆｔｈｅｄｉｆｆｕｓｅｓｕｒｆａｃｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂｙｉｍｐｏｒｔｉｎｇｔｈｅｅｎｔｉｔｙｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｄｉｆｆｕｓｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｔｏｏｐｔｉｃａｌｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｐｅｒｆｏｒｍｎｏｎ－ｓｅｑｕｅｎ－ｔｉａｌｒａｙｔｒａｃｉｎｇ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｉｒｒａｄｉａｎｃｅｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｒｅａｉｓａｂｏｖｅ９０％ａｎｄｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓｃｏｒｒｅｃｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｐｐｌｉｅｄｏｐｔｉｃｓ；ｕｎｉｆｏｒｍｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ；ｆｒｅｅｆｏｒｍｓｕｒｆａｃｅ；ｄｉｆｆｕｓｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ引言在机器视觉测量系统中，光源的光照均匀程度和照明强度会对采集图像的分辨率和检测目标的对比度产生重要影响［１－３］。

LED透镜在均匀照明领域的设计方法与应用摘要：随着城市化进程的加速，LED的应用越来越广泛。

作为一种新型的光源，LED有着其他光源无可比拟的优势。

LED作为光源在均匀照明领域，需要应用曲面透镜改善其光源分布，从而达到均匀照明的目的。

本文阐述了LED 透镜的设计原理，并简要分析了可用于均匀照明的LED透镜设计方法及应用。

关键词：均匀照明；二次光学设计；自由曲面LED（LightingEmittingDiode）即是发光二极管，是一种新型的绿色光源，与传统光源有着很大的区别。

随着城市建设的不断发展，LED光源在照明领域的应用范围也在不断扩大。

LED光源还具有具有效率高、寿命长、耐用性强、无污染以及控制灵活等优点，这使得其在现代社会中的需求量不断扩大。

由于LED芯片的出光为朗伯发光体分布，不适合直接应用，需要对其进行光学系统处理后才能应用。

但很多时候，LED光源都无法满足照明灯具的要求，因此，对LED光源进行二次光学设计十分必要。

传统的设计方法设计周期很长，对设计人员的要求也比较高。

常用的设计方法介绍微分方程法微分方程法的设计基础理论是剪切法。

就是通过建立微分方程计算设计值，利用计算值建立自由曲面模型。

主要考虑的是建立空间坐标系，把LED光源当做空间坐标系的原点，选用球坐标系的表示方法来表示曲面上的点，用直角坐标系的表示方法来表示照明面上的点。

同时设定入射光线、法向量等。

从而可以推导出照射平面上的点和自由曲面上的点之间的关系式。

由于光的传播遵守能量守恒定理，假设当没有能量损失时，光源发出的能量和照明面接收的能量在数值上是相等的，这样就可以建立能量守恒的表达式，从而得出折射光的角度与与自由曲面上的点的关系式，进而得出自由曲面上的点和照明面上的点的关系式，通过数学微分知识可以得出微分方程式，在利用数值求解法求出相关数据，根据求出的数据建立照明系统模型。

划分网络格法划分网格法的主要设计基础是能量守恒原理。

就是在不考虑能量损失的前提下，按照光源发出的能量和自由曲面接收的能量相等的规则，将光源和照明面进行网格划分，通过照明面上的点和光源的映射关系，再利用迭代计算法就算出光学系统中的各个数据点的坐标，进而计算出映射点的法线矢量，以确定透镜表面的模型。

一种LED照明光源均匀度设计肖韶荣;李曼【摘要】为了满足数字摄像法能见度测量仪均匀光源的要求,提高半导体发光二极管照明的均匀性,该文提出一种基于数字图像分析技术的设计方法.首先测量单颗LED在模组区域的亮度分布,进而拟合分布函数,再运用多颗LED亮度叠加原理,计算出不均匀度最小的多颗LED阵列方式,或固定均匀度对应的最佳尺寸.对仿真数据和实测数据进行对比分析,结果表明,该文计算出的LED阵列方式,与单边阵列相比,均匀度显著提高,最高可达95％以上.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2015(036)004【总页数】6页(P600-605)【关键词】LED;光源;均匀度【作者】肖韶荣;李曼【作者单位】南京信息工程大学物理与光电工程学院,江苏南京210044;南京信息工程大学电子与信息工程学院,江苏南京210044【正文语种】中文【中图分类】TN364.2引言随着半导体发光二极管（light emitting diode，LED）照明技术的发展，LED以低功耗、无有害辐射和长寿命等优点［1］，被越来越广泛地用于液晶显示器背光源、广告和照明等领域［2－5］。

特别值得关注的是在能见度测量领域，数字摄像法［6，7］作为一种新的气象要素观测方法正受到重视，其中用LED构造均匀的光源是该法中的理想光源，但由于LED发出的光近似朗伯型，直接用于照明，会出现不均匀的光斑。

在实际应用中，单颗LED难以满足照明要求［8］，需采用多颗LED阵列组合形式，阵列方式将影响亮度的均匀性和光能利用率。

这就需要进行优化设计，计算相应的LED阵列方式［9］，设计出均匀性好的LED照明光源。

目前，国内外采用了很多不同的方法来达到均匀照明，但这些设计各有利弊。

比如采用复眼透镜或梯形筒来达到均匀照明的设计［10］，这两种光学系统具有一定的复杂性，故适用性受到限制。

另外，在其他一些设计中采用自由曲面透镜来实现均匀照明，由于自由曲面透镜的设计一般需要通过偏微分方程求解，求解过程比较复杂，加工要求较高，因而这种方法使用起来也不方便［11］。

照明光学设计原理及技巧
照明光学设计是指基于光学原理和技巧来设计照明系统，以实现高效、均匀、舒适的照明效果。

在进行照明光学设计时，以下是一些重要的原则和技巧：
1. 光的投射与散射：光源发出的光线需要经过适当的反射、折射和散射，以实现所需的光照效果。

通过使用不同材料的反射镜、透镜和衍射元件，可以控制光的方向、强度和分布。

2. 光束的控制：通过使用凸透镜、聚光灯和反射器等光学元件，可以控制光束的聚焦或扩散，以实现需要的照明形式。

例如，聚光灯可以将光束集中到一个特定区域，而反射器则可以将光束扩散到更大的区域。

3. 颜色温度和色彩还原性：照明系统的颜色温度和色彩还原性对于创造舒适的照明体验至关重要。

颜色温度通常通过选择合适的光源来实现，而色彩还原性可以通过光源的CRI（Color Rendering Index）来评估和优化。

4. 照明平衡与均匀性：在设计照明系统时，需要确保光线在被照明区域内的分布均匀且平衡。

通过合理布置灯具、采用适当的光线控制装置和良好的灯具排布，可以实现更均匀的光照效果。

5. 照度和照射度：照度是指单位面积上接收到的光照量，而照射度是指光源发出的光线通过单位面积的强度。

在照明光学设计中，需要根据照明需求和使用环境，合理地选择照度和照射
度的数值。

6. 舒适和节能：照明系统既要满足人眼的舒适感受，又要考虑节能和环保。

通过合理控制照明亮度、色温和照明效果，可以达到提供舒适照明的同时最大限度地减少能源消耗。

照明光学设计是一个综合性的工程领域，需要考虑多个因素并进行合理权衡。

通过掌握照明光学的基本原理和技巧，设计出高效、均匀、舒适的照明系统将变得更加容易。

LED照明系统的光学设计与照度分布分析近年来，随着LED照明技术的不断发展和成熟，LED照明系统已经逐渐取代传统照明系统，成为新时代的主流照明方式。

在这样的背景下，LED照明系统的光学设计和照度分布分析就显得尤为重要。

一、LED照明系统的光学设计LED照明系统的光学设计是指在满足照明需求的前提下，对LED光源进行光学设计，使得光线能够均匀地照射到照明区域。

其中，主要需要考虑以下几个方面：1.了解LED光源的性能参数在进行光学设计之前，需要了解LED光源的性能参数，如发光效率、颜色温度、色彩还原指数、光滑度等，以便对LED光源进行合理的选择。

2.确定照度需求和照射角度照度需求是指照明区域所需要的光强度大小，而照射角度是指LED光源所照射的范围，一般分为散射角度和聚光角度。

在确定照度需求和照射角度的同时，还需要根据实际情况考虑残光的问题。

3.设计反射镜和透镜反射镜和透镜是LED照明系统中的重要元件，它们能够有效控制光线的传播和照射范围。

在进行反射镜和透镜的设计时，需要考虑光程、光强、反射率等因素。

二、照度分布分析照度分布分析是指对LED照明系统的照度进行分析和评估，以确定其照度分布情况是否满足照明需求。

在实际应用中，一般采用照度测量仪器进行测量和分析。

1.照度分布图照度分布图是反映LED照明系统照度分布情况的图形化表达方式，可以准确地显示不同区域的照度强度情况。

在进行照度分布图绘制前，需要先测量照度值，然后通过计算处理，得出相应的照度分布图。

2.照度不均匀度照度不均匀度是指在同一照明区域内，各点照度值之间的差异程度，其值越小则表示照度分布越均匀。

在实际应用中，一般将照度不均匀度控制在10%以内，以确保照明质量。

三、总结LED照明系统的光学设计和照度分布分析是提高LED照明系统照明质量和能效的重要手段。

通过对LED光源的性能参数进行了解，确定照度需求和照射角度，并进行反射镜和透镜的设计，能够有效地控制光线的传播和照射范围。