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文章编号:1002-2082(2009)03-0372-05一种实现大功率LED 均匀照明的投射器设计吴仍茂,屠大维,黄志华(上海大学机电工程与自动化学院,上海200072)摘 要:以特定区域的均匀照明为目标,设计一种以单粒LED 为光源的均匀投射系统。
根据LED 的发光特性以及能量守恒定律选择采用折射-全反射(TIR)光学系统,通过建立TIR 折射面及全反射面轮廓曲线上的点所满足的常微分方程,利用Runge-Kutta 求解常微分方程得到轮廓曲线上点的坐标,再在UG 中对坐标点进行曲线拟合得到轮廓曲线,进而得到TIR 模型及适合数控加工的面形数据。
将T IR 模型导入T racepro 并对投射系统追迹光线。
模拟结果表明:目标平面的光照均匀度达到92.6%,系统的效率达到91.8%。
关键词:应用光学;大功率LED ;投射器;LED 照明;照度中图分类号:T N 312.8 文献标志码:ADesign of uniform illumination projector with high power LEDWU Reng -m ao,TU Da-w ei,HU ANG Zhi-hua(Colleg e of M echat ro nics Eng ineering and A utom atio n,Shanghai U niver sity ,Shanghai 200072,China )Abstract :A unifo rm projection system w ith a single LED as light source w as desig ned for the purpose o f the uniform illum ination in a desig nated r eg io n.An optical system with refr action and total internal reflection (T IR )w as proposed acco rding to the luminous characteristic of LED and the law o f energ y co nser vatio n.T he or dinary differential equations satisfying the spots on the conto ur curve of TIR refractive and r eflective planes w ere established.The coo rdinates of po ints o n profile curves w ere obtained by solv ing these ordinary differential equations using Runge -Kutta m ethod .The profile curves w ere acquir ed by curve fitting o f the co ordinate spots w ith so ftw are U G,and then TIR m odel of the projector and data of the surface shape suitable for NC manufacture w ere obtained.T he T IR mo del of the projector w as introduced into T racepro ,and rays w ere traced .T he results show that the illuminatio n uniformity of the illuminated reg io n is better than 92.6%,and the efficiency of the w hole sy stem is mor e than 91.8%.Key words :applied o ptics;high-pow er LED;pro jector;LED illumination;illum inance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[1-2]。
![一种配光分布均匀的LED灯[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/7a7af1aabe1e650e53ea9966.png)
专利名称：一种配光分布均匀的LED灯专利类型：实用新型专利
发明人：易宜忠,袁飘,廖小声
申请号：CN201820145523.9
申请日：20180129
公开号：CN207762605U
公开日：
20180824
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种配光分布均匀的LED灯，本实用新型包括灯头、球形灯罩和连接灯头和球形灯罩的灯杯，所述的球形灯罩的口径与最大直径的比例为0.9‑1.5，所述的球形灯罩内设置有LED发光组件，所述的LED发光组件通过调节装置设置在球形灯罩内，所述的LED发光组件包括LED 灯管、反光板、散热组件和LED电源驱动组件，所述的LED灯管与LED电源驱动组件固定连接，所述的散热组件固定连接在LED灯管与LED电源驱动组件之间。
本实用新型的球形灯罩的口径与最大直径的比例为0.9‑1.5，能够让LED灯配光更为均匀，而且用户可以通过调节LED灯管自由调节LED灯的配光，让LED灯的配光范围更大。
申请人：福建中智汇照明科技有限公司
地址：361000 福建省厦门市中国(福建)自由贸易试验区厦门片区象屿路97号厦门国际航运中心D 栋8层03单元C
国籍：CN
代理机构：昆明合众智信知识产权事务所
代理人：张玺
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实现台灯照明高均匀性的LED配光设计与仿真罗秉东;王亚军;宋宁亮;王阿莉;吕海裕;廖锟【期刊名称】《光电技术应用》【年(卷),期】2014(000)001【摘要】According to high uniformity requirements of desk lamp lighting, a free curved surface lens is de-signed to perform the secondary light distribution of light emitting diode (LED) light source. Based on the theory of non-imaging optics, at the condition of known incident light intensity distribution and required light distribution effect, partial differential equations related to the shape of free curved surface are established. And corresponding numerical value algorithm is adopted to obtain the data of the shape of free curved surface. The models of optical lens are built through simulation software Rhinoceros. And optical simulation is performed in Tracepro. The simulation results are obtained to verify the feasibility of the design method.%针对台灯照明的高均匀性要求，设计一个自由曲面透镜对LED光源进行二次光学配光。
LED照明产品热仿真技术散热设计是LED照明产品开发关键技术之一。
热仿真是电子产品散热设计一项主要内容，广泛用于预测许多电子产品散热方案可行性、优化电子产品散热设计以及为需要进展热测试电子产品确定最有效测试方案等。
准确快速热仿真可以缩短产品开发周期、降低开发本钱。
本文系统论述了LED照明产品热仿真根本原理与方法，并给出了热仿真典型案例，对于LED照明产品热仿真具有重要参考意义。
一、LED照明产品热仿真概述1、数值计算方法热仿真是一种利用数值计算对流动与传热问题进展求解方法，是与试验(测试)与理论分析相并列第三种分析方法。
数值计算就是把计算域内有限数量位置(网格节点)上因变量值当作根本未知量，并根据需要求解控制方程(微分方程)提供一组关于这些未知量代数方程，以及求解这组方程算法，从而在每一个网格节点上直接求解控制方程方法。
电子产品热仿真需要求解控制方程主要包括质量守恒方程(连续性方程)、动量方程(运动微分方程)、能量方程以及求解湍流N-S方程所需要补充方程等。
2、热仿真软件理论上所有CFD(Computational Fluid Dynamics：流体动力学)软件都可以作为电子产品热仿真软件。
CFD软件大体可以分为通用CFD软件、工程化CFD软件与电子散热专用热仿真软件三类。
一般情况下，通用CFD软件(如FLUENT 等)对用户专业知识背景要求较高，并且软件操作较复杂。
电子散热专用软件是专门针对电子产品散热设计开发热仿真软件，对用户CFD专业知识背景要求较低，操作也较简单，并且提供了大量电子散热常用组件，这类软件主要包括Flotherm 与Icepak 等。
工程化CFD软件性能介于通用CFD软件与电子散热专用软件之间，其采用工程化操作界面，操作较简单，计算能力较强。
如CFdesign 与FloEFD都能够方便地导入CAD 模型，并且还增加了局部常用电子散热组件。
3、热仿真特点热仿真与热测试区别主要包括：(1)热仿真不需要样品，所以可以在产品开发前期预测产品方案可行性；(2)热仿真边界条件为理想条件，如准确环境温度及环境风速等，而热测试环境温度及风速很难实现精准控制；(3)考虑到计算速度与精度，热仿真模型需要对产品实际模型进展简化。
新型LED均匀布光微结构设计和仿真
作者：孙铭辰
来源：《电子技术与软件工程》2018年第01期
随着LED工艺技术发展、生产规模扩大、价格成本降低、发光效能提高，同时相对白炽灯、荧光灯等传统光源而言，LED具有独特的优点，如节能环保、牢固可靠性等，成为新一代的绿色照明光源，在市场上逐步替代传统光源，广泛地应用在普通照明、广告显示、建筑景观、植物照明、可见光通信、汽车照明、交通信号、背光源等。
然而，由于LED照明灯具需要根据布光要求将LED发出的光分配到期望的区域，因此需要大量的基于照明技术的光学设计方法和计算模拟，如LED光源制备的汽车灯具，路灯灯具以及教室照明灯具以及台灯都需要针对布光要进行灯具设计。
因此，为了满足各种布光要求，需要制作不同曲率的空间曲面满足布光要求，给灯罩加工带来相当大的工作量；另一方面，灯具的反光杯通常采用铝板上面电镀金属作为反光罩，重量较轻，但是大量的使用这样的含有丰富金属材质的灯具也使得灯具的重量不容忽视。
为了节省金属材料的使用量，减轻个性化加工开模的工作量，针对亚克力材料的纳微布光设计成为一个崭露头角的研究方向。
基于有机材料的加工优势和材料来源优势，在有机材料上进行不同结构的微结构设计，可以得到宏观上不同曲率曲面光分布的设计思路，结合微结构热塑或者微米压印技术有可能实现一张有机玻璃板实验多个单独设计的复杂曲面布光的设想。
本文就是基于上述想法开展的一个光学设计和仿真。
【关键词】LED 灯具设计仿真
1 PET薄片结构
市场调研结果显示，BrightView公司出产可以实现椭圆形和圆形布光聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜片，C-HE55-PE07-S-M型号产品指标显示光传输效率高达98%。
经过结构分析，可以获得基本的结构参数，其二维基本结构为三角格子（如图1）。
图1a显示薄膜的二维平面结构，为非整齐的三角格子的结构，即平面有具有无限多正三角形拼合而成，每个三角形由三个圆形空洞组成。
图1b为侧面视图，可以看到加工之后仍然有残留物质，这部分残留在总体传输结果上影响较小。
因此，本文在此基础上构建了自己的设计模型，采用VirtualLab仿真软件进行二维微结构传输和布光仿真。
2 新型LED均匀布光微结构设计和仿真
仿真采用柱形二维光栅结构，光栅厚度为10μm，薄片厚度为0.1mm，周期单元大小为19μm×19μm，材料采用亚克力材料，光栅填充为空气介质。
照明光源采用近似平面波入射，在5mm之后安放探测虚拟屏幕，接收经过薄片传输的光的振幅，光强以及相位信息。
由于是
虚拟屏幕，因此可以获得计算的上述三类信息，但是与实验直接相关的探测是以能量为基本单位的光强，经过换算可以与照度相关。
图2是设计的柱形光栅结构透光和经过5mm传输后的虚拟屏幕上的光强分布，为了方便近距离装饰照明的需求，虚拟屏幕的几何尺寸与薄片的大小一致。
这样可以看出光传输的显著效果。
另外，由于virtualLab软件从麦克斯韦方程出发，计算量比较大，探测区域和样品区域微元增加会导致计算量成指数增长，因此本文采用3×3基本单元进行模拟，另一方面，由于三角格子在计算的时候，需要的单元也相对较多，本文从正方格子出发进行模拟，旨在定性研究微结构在LED布光中的原理性应用价值。
从输出的光强分部来看，光强的分部得到良好改善，均匀度得明显提高。
为了跟进一步研究光振幅在虚拟屏幕上的分部，我们获取了虚拟屏幕上的相位信息，如图3所示，我们可以清晰看到，在光栅平面上，相位是收到些许调控的，但是到了5mm后的虚拟屏幕上，相位分部已经非常有规律，而且被调制的程度也显得更加明显，因此，可以非常确定，在虚拟屏幕上是的分部是柱形光栅衍射后的光再次叠加。
这是微结构光学布光原理与基于光线传播的几何光学不同之处。
随着微加工技术的迅速发展和新型有机材料合成技术的日益完善，上述微结构设计的加工已经不是难题，工艺问题可能存在一定的挑战，如热塑的形变和冷却后的缩合，会导致结构参数的一定变化；另外在相位调控的技术上可能还需要进一步提高，在相干程度调控上可以更加完善出光效果。
另一方面，结合激光加工技术，可以设计和制作一定特征结构的模板，经过二次压印实现有机材料薄片的制备，有望在艺术照明，景观照明等高端照明领域获得突破性应用。
（指导老师：张莉萍）
参考文献
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[2]任元会.照明设计新技术发展与应用[J].建筑电气，2012（07）：3-10.
[3]王淦鹏，范劲松.基于光学仿真分析的新光源产品创新设计研究[M].佛山科学技术学院学报（自然科学版），2017（03）：75-79.
[4]董辉，宋捷翘，于娟.植物景观照明设计中LED应用初探[J].灯与照明，2014（02）：47-49+54.
[5]孔荀，居家奇.LED照明时代下光艺术的发展与照明设计图形化初探[M].照明工程学报，2016（04）：172-176.
作者简介
孙铭辰（2000-），男，广东省广州市人。
高三在读学生。
研究方向为应用物理。
张莉萍（1980-），女，学士学位。
中学物理一级教师，研究方向为物理学教育。
作者单位
广州市真光中学广东省广州市 510380。
