基于虚拟目标面的LED均匀光强透镜设计方法

基于LED光源的TIR透镜设计作者：黄煊李祥阳罗芳琳来源：《智富时代》2019年第10期【摘要】为了提高LED灯具的发光效率和照明系统的光能利用率，本文研究了一种基于自由曲面的能对光源进行准直的TIR透镜设计，使用Lighttools软件设计了一个全内反射透镜模型，通过对透镜曲面的参数进行优化，达到效果最佳的出光效果。

【关键词】LED;TIR透镜;优化1.引言1.1 LED的发展背景近年来，各个国家和行业都花费了大量的人力、财力资源在发光二极管及其灯具的研究和发展应用上。

与传统的光源相比，LED作为第四代照明光源和绿色光源，它具有效率高、节能环保、寿命长、可靠性强等优点、广泛应用于各种指示器件、显示器件、装饰器件、户外照明器件、背光板等领域。

大功率LED是第四代光源的代表，普通大功率LED发光效率很高，是白炽灯的八倍，荧光灯的两倍多，这就意味着在满足相同的光照时可以节约大量的电能，降低了耗能成本。

1.2 研究背景实际生活中，LED发光亮度比较低，并且发散角比较大，一般不能直接用于光學系统中，而是经过二次光学系统设计，也就是经过一个TIR透镜汇聚并准直后，才能应用于照明器件中。

由于TIR透镜具有减小光束发散角度实现准直的作用，所以它在实际应用中的用处很大。

在微型投影系统中，TIR透镜结构的优化设计是关键，它的光束收集整形能力从很大程度上决定了系统的光能利用率和均匀度。

在LED微型投影仪照明系统中，以系统光能利用率和照明均匀性构建评价函数，采用光纤追迹和结构优化相结合的方法，对TIR透镜进行优化设计，将大角度扩展光束压缩到小角度范围以内，并且使得投影屏幕达到一定的照明均匀性。

2.结构原理TIR透镜的设计基于全内反射的原理，透镜由4部分组成，中间内凹的非球面柱面镜部分、侧面的全反射棱镜部分、两端的全反射棱镜部分、以及上表面“W”型的自由曲面组成。

透镜将郎伯型LED的光配成沿X方向120°（水平方向）以及Y方向60°（垂直方向）的光度分布。

一种用LED光源的准直系统设计1 引言半导体发光二级管(LED)光源具有体积小、效率高、响应快、易调光、色域范围宽、无汞污染、使用寿命长等特点，是一种节能环保的新型光源。

随着LED技术的不断完善，特别是光效的不断提高，在投影显示、背光光源、城市照明等领域有着广泛的应用前景。

然而，由于LED的空间光强近似Lambertian型分布，使其在被照面上所形成的照度随出射角的增大而迅速衰减，很难满足远距离照明如手电、港口或码头用信号投射灯的实际需要，为了使光束平行出射以提高光能利用率，光学设计人员尝试通过各种途径来设计反射器、折射器或折反射器来改善光线在目标面的布局，以符合实际情况的需要。

目前，LED二次光学设计主要有两种方法：直接经验法和求解方程法。

直接经验法主要通过CAE三维机械建模软件绘制出光学元件的结构，并将此结构导入到光学仿真软件中如Tracepro中，并对此结构赋予某种光学属性，最后通过蒙特卡罗非序列光线追迹来判断照明面上的照度分布及整个系统的光强分布。

由于这种设计的随意性很强，相关设计者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，设计的关键往往取决于设计者的个人经验。

方程求解法基于光源的发光特性和所需实现的照明要求而构建方程组，其未知数即为所求自由曲面上个点的坐标，在给定初始条件后，通过求解方程组的解析解或数值解，即可得到自由曲面的面型数据并可实现所需照明要求。

此种方法免去了反复试验所需的时间，提高了设计效率，但对设计人员的光学构建能力和数学功底的要求比较高。

本文针对旋转对称折射器，根据LED光源特性和目标面的光强分布要求，依据snell 定律和非成像光学中的光学扩展量要求，设计了一种较为简便的自由曲面折射器，实现了系统的长距离均匀照明。

2 设计原理建立如图1所示的坐标系。

设LED光源位于坐标系的原点，透镜前表面为平面，后表面为为曲面，即为需要设计的自由曲面。

一种基于自由曲面的LED准直透镜设计周镇;苏成悦;付倩;张春华【摘要】A design algorithm that can realize the collimating beam of light was proposed based on free-form surface lens,and an illumination optical system for a single LED source was designed based on the algorithm. The equations of the points on the profile curve about the back surface of the lens were established . By using the iterative method and Matlab programming, a number of discrete points of the free-form profile curve were calculated and fitted to optical entity with the SolidWorks software. Then the optical entity was imported into TracePro software for non-sequential ray tracing. The simulation results show that the optical system can a-chieve uniform illumination and collimate beam.%提出一种能实现准直光束照明的自由曲面透镜设计算法,并基于此算法设计一种以单颗LED为光源的准直透镜.通过建立透镜后表面轮廓曲线上的点所满足的方程,利用迭代方法并结合Matlab编程求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,将数据点导入SolidWorks中进行曲线拟合并建模,进而得到透镜的实体模型.在TracePro中对该透镜进行非序列光线追迹,模拟结果表明:该光学系统能够实现均匀照明,并对最终光线可实现准直出射.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)006【总页数】5页(P1058-1062)【关键词】LED;二次光学;自由曲面;准直透镜;非序列光线【作者】周镇;苏成悦;付倩;张春华【作者单位】广东工业大学物理与光电工程学院,广东广州510006;广东工业大学物理与光电工程学院,广东广州510006;广东工业大学物理与光电工程学院,广东广州510006;广东工业大学物理与光电工程学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TN312.8引言LED为半导体固体光源，具有体积小、质量轻、耗能少、寿命长、响应时间短以及抗震性能好等优点，尤其是其抗震动能力，可以经受住各种剧烈的抖动和碰撞，这一特性使得LED手电特别适用于军队、警察、保安、户外探险等特种照明使用场合［1］。

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］。

基于 ZEMAX的半导体激光器匀光设计黄珊;邓磊敏;杨焕;段军【摘要】In order to meet the beam homogenization application requirements of laser diodes , a beam homogenization shaping systemwas designed with ZEMAX optical design software .A collimation system composed of aspheric lenses and inverted cylindrical lenses telescope system was used to get a circular Gaussian beam . On the basis of deducing homogenization projection radius of fundamental mode Gaussian beams , the two-aspheric lens homogenization system was optimized with ZEMAX .The whole system can obtain a circular spot with energy uniformity over 96% at a large range . Meanwhile , the beam homogenization of high power optical fiber couple module was realized , which satisfied the needs of high uniformity in applications .This research provides an effective way for the homogenization applications of laser diodes .%为了满足半导体激光器能量均匀化的应用需求，基于ZEMAX光学设计软件设计了一套光束整形匀光系统。

LightTools软件在均匀光分布的照明系统设计中的应用胡志威;彭润玲;秦汉;林朋飞【摘要】以模拟单颗LED的均匀配光为例,介绍了LightTools软件在照明系统设计中的应用,以便更进一步地掌握和使用LightTools软件.文中借助LightTools软件,在单颗LED上建立反光杯模型,在反光杯出光口建立透镜阵列,并在目标照射面上建立目标区域的强度网格,通过LightTools软件的优化模块进行优化后,可在目标区域得到均匀的光强分布.利用LightTools 软件进行辅助设计和优化模拟,具有很高的可信度,也可以大大缩短照明设计的周期.%With the simulation of single LED light distribution even as an example, LightTools software in lighting system design of the application is introduced in order to further control and use LightTools software. With LightTools software, a reflector model is established above a single LED component and lens array is made on the exit of the reflector, then an intensity mesh for a certain region of the target surface is established After optimization in LightTools, the intensity distribution can be uniform in the target area. The design and optimization with LightTools demonstrate high credibility, and the lighting design cycle could also be greatly shortened.【期刊名称】《光学仪器》【年(卷),期】2012(034)004【总页数】5页(P49-53)【关键词】均匀光强;透镜阵列;照明设计;LightTools【作者】胡志威;彭润玲;秦汉;林朋飞【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TH741.4引言与传统光源相比，LED光源具有寿命长、能耗低、响应时间短等优点，它是21世纪具有竞争力的新型固体光源，正逐渐取代传统光源［1］。

双自由曲面LED均匀照明准直透镜设计孟祥翔;刘伟奇;冯睿;魏忠伦;周敏;杨建明【期刊名称】《光子学报》【年(卷),期】2014()8【摘要】为了克服传统LED准直器在近场难以实现均匀照明的缺陷,设计了一种双自由曲面均匀照明准直透镜.透镜分为折反两部分,每部分都利用双自由曲面进行匀光和准直.根据马吕斯定律,推导了实现光束准直出射的等光程方程,并将切面迭代法加入等光程条件,同步计算准直透镜上下自由曲面的面形数据.仿真分析表明:对1mm×1mm的白光LED芯片,84.55%的能量集中在±2°内,近场照度均匀性达到94.59%,远场照度均匀性为89.01%;当LED芯片尺寸不超过2.0mm×2.0mm 时,±4°内的能量利用率大于83.5%,近场照度均匀性在90%以上.该准直透镜能同时实现近场和远场的均匀照明,公差符合装配要求,光能利用率高.【总页数】6页(P10-15)【关键词】非成像光学;发光二极管;照明设计;自由曲面;几何光学【作者】孟祥翔;刘伟奇;冯睿;魏忠伦;周敏;杨建明【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所;中国科学院大学;空军航空大学【正文语种】中文【中图分类】TN312.8【相关文献】1.LED均匀照明自由曲面透镜的设计探讨及其实现 [J], 林明丈2.实现LED均匀照明的透镜自由曲面设计的集成程序 [J], 陈超;王耀国;曹艳亭;余静;黄杰;梁培3.均匀照明方形光斑的 LED 自由曲面透镜设计 [J], 张康;苏成悦;王维江4.用于道路均匀照明的 LED 自由曲面透镜设计 [J], 贺志华;董前民;王少雷;李敏5.实现LED均匀照明的自由曲面菲涅尔透镜设计 [J], 戴艺丹因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于TIR结构LED准直透镜的设计与实现王未未【摘要】介绍了一种LED自由曲面准直透镜的设计方法, 并运用该方法设计了一款基于全内反射,结构的准直透镜. 对初始结构不断进行逼近, 最终得到准直透镜的模型. 透镜外径为35 mm, 总高为21.5 mm. 透镜匹配Cree公司XPE光源进行计算机模拟, 效率高达84.8%, K值高达125.8 cd/lm. 模拟应用于35 W的探照灯时, 在100 m远处形成一个直径为8 m的圆形光斑, 光斑中心照度高达60 lux. 透镜实际样品被制作出后, 经过测试, 实际透镜的光束角为3.2 °. 此款透镜被用于实际探照灯灯具中.%A design method for collimating LED lens with free surface is introduced and a practical collimating lens with the method based on TIR (Total Internal Reflection ) is designed by approximating for the final 3D model successfully .The maximum diameter of the lens is 1 mm with a height of 2 puter simulation with the lens matched with CREE -XPE shows an efficiency of 84.8% and a K value of 125.8 cd/lm.With the lens applied to 35 W searchlight , a spot of a diameter of 8 m results with the spot center illumination up to 60 lux 100 m away 3.2 °.Tests on the fabricated collimation lens show a beam angle of .The lens is used in the actual searchlights .【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2016(029)001【总页数】4页(P5-8)【关键词】TIR准直透镜;光学设计;自由曲面;TracePro【作者】王未未【作者单位】江苏大学机械工程学院,江苏镇江 212013【正文语种】中文【中图分类】TN312+.8AbstractA design method for collimating LED lens with free surface is introduced a nd a practical collimating lens with the method based on TIR (Total Interna l Reflection) is designed by approximating for the final 3D model successfu lly.The maximum diameter of the lens is 1 mm with a height of 2 puter simulation with the lens matched with CREE -XPE shows an efficiency of 84.8% and a K value of 125.8 cd/lm.With the len s applied to 35 W searchlight,a spot of a diameter of 8 m results with the s pot center illumination up to 60 lux 100 m away 3.2°.Tests on the fabricate d collimation lens show a beam angle of.The lens is used in the actual sear chlights.Keywords TIR collimating lens;optical design;freeform surface;TracePro 近年来,由于发光二极管(Light Emitting Diode,LED)在光效、寿命、便携性、反应速度等各方面性能远胜于传统光源,全球各国在LED应用的研究和发展上投入了大量的财政和人力[1],LED得到了广泛应用。