用于室内照明的自由曲面均匀配光透镜设计

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一种利用自由曲面透镜的LED路灯配光设计与研究

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基于LED光源的TIR透镜设计

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。

基于自由曲面的LED准直透镜设计

基于自由曲面的LED准直透镜设计张巧淞;徐春云;程灏波;TAM Hon Yuen【摘要】本文基于准直光束照明的自由曲面透镜设计方法,设计了一种以单颗LED 为光源的准直透镜,其可应用于投影仪的照明系统.根据几何光学原理构造自由曲面,该方法无需求解复杂的偏微分方程,计算简单.准直透镜由内自由曲面折射面、球面、抛物面全反射曲面以及平面组成,利用Matlab编程求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点,导入Solidworks中进行曲线拟合,建立透镜的实体模型.为探讨LED光源尺寸对准直透镜光斑影像的影响,在Tracepro中对透镜进行非序列光线追迹,模拟结果表明:当光源半径不大于1 mm时,其光学效率达到86.26％以上,视场半角达到3.3度以内.【期刊名称】《影像科学与光化学》【年(卷),期】2016(034)001【总页数】7页(P36-42)【关键词】LED;准直;二次光学设计;自由曲面【作者】张巧淞;徐春云;程灏波;TAM Hon Yuen【作者单位】北京理工大学光电学院光机电工程联合研究中心,北京100081;北京理工大学深圳研究院,广东深圳518057;北京理工大学光电学院光机电工程联合研究中心,北京100081;北京理工大学深圳研究院,广东深圳518057;北京理工大学光电学院光机电工程联合研究中心,北京100081;北京理工大学深圳研究院,广东深圳518057;香港城市大学机械与生物医学工程系,香港999077;香港城市大学机械与生物医学工程系,香港999077【正文语种】中文影像信息学是一个从图像挖掘信息和提炼知识的过程，是一种边缘科学，是人类通过影像来认识和解释世界的重要手段。

随着影像信息学的发展，使人们能够更加充分的利用大量未被利用的影像信息。

能源是人类赖以生存的基础。

现今，地球上的许多能源都已告竭，因此发展“绿色能源”成为当今世界的主流[1]。

LED是一种可将电能转变为光能的半导体发光器件，属于固态光源，被全球公认为新一代的环保高科技光源。

一种基于自由曲面的LED准直透镜设计

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］。

自由曲面LED准直透镜设计

自由曲面LED准直透镜设计作者：杜国红吴一新陈亮杜罡刘杨石岩来源：《山东工业技术》2016年第05期摘要：LED作为下一代的主流光源拥有各种传统光源无可替代的优势。

但是由于独特的发光机理，在使用LED光源时需要为其重新进行光学设计来满足实际的照明需求，而准直照明是其中的重要部分。

LED准直透镜对光线准直度有着重要的影响，合理的透镜结构有利于提升LED照明光源的二次配光。

本文将自由曲面作为准直透镜设计选择的表面结构，综合其各个方面的优点，非常适合LED准直透镜设计。

关键词：自由曲面；光学设计；LED；准直透镜DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.05.2540 引言LED作为第四代照明光源，拥有诸多的优点，被应用在许多领域。

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[1-2]。

LED透镜与LED光源一起构成完整的光学系统，透镜使用的目的是为了能够增强光的使用效率和发光效率。

因此在不同条件下，使用与之相匹配的透镜，将可以改变LED照明系统的光场分布。

LED准直透镜对光线准直度有着重要的影响，合理的透镜结构有利于提升LED照明光源的二次配光。

不同结构的LED准直光学透镜，各有特点，对LED光源的准直效果也不相同。

自由曲面作为准直透镜设计选择的表面结构，综合其各个方面的优点，非常适合LED准直透镜设计。

本文考虑了LED的发光特性，介绍了用于LED准直自由曲面透镜设计方法，并介绍了一个设计实例。

1 自由曲面与LED准直透镜自由曲面是最复杂而又经常使用的曲面，在许多领域中很多零件的外形均为自由曲面，如：飞机机翼、汽车外形、模具工件表面等[3]。

自由曲面的求解方法主要有：剪裁法、划分网格法和SMS法。

[4]剪裁法的基本思路是利用目标面的照度分布以及光源特性等数据列出一个关于光学面形的非线性偏微分方程组，通过求解微分方程组，得到相应的光学表面。

非朗伯分布LED光源的自由曲面设计

非朗伯分布LED光源的自由曲面设计一、引言随着科技的发展和人们对灯光质量要求的提高，传统的照明源逐渐被LED光源取代。

由于LED光源的光线强度分布不均匀，为了实现均匀的照明效果，需要设计合适的自由曲面来改善光线传播的特性。

本文主要介绍非朗伯分布LED光源的自由曲面设计，以提高照明效果。

二、非朗伯分布LED光源的特点朗伯光源是一种均匀发光的理想光源，但实际LED光源并不满足朗伯光源的特性。

其光强度分布通常呈现圆锥形，中心光强度高，向外逐渐降低。

这种不均匀的光强度分布对于灯具的设计和应用带来了很大的挑战。

三、自由曲面设计原理非朗伯光源的自由曲面设计主要是通过光学设计软件来实现。

该软件可以通过改变曲面的形状和曲率，使得光线在透镜内部的传播路径得到修正，从而实现均匀的光照分布。

在设计过程中，需要考虑以下几个因素：1. 光源的位置和方向：确定光源的位置和方向，以便在设计曲面时能够对光线进行合理的控制。

2. 曲面的形状和曲率：改变曲面的形状和曲率可以改变光线的传播路径，从而实现光照的均匀分布。

3. 材料的折射率：不同材料的折射率不同，可以影响光线的传播路径和折射角度。

4. 光学元件的尺寸：尺寸的大小也会影响光线的传播路径和发射角度。

四、自由曲面设计的实现步骤1. 预处理：首先需要预处理LED光源的光强度分布数据，通过光学测量仪器获得。

2. 设计曲面：在光学设计软件中，根据光源的位置和方向，利用曲面的形状和曲率参数，设计合适的自由曲面。

3. 优化设计：通过调整曲面参数，优化设计结果，使得光源的光照分布更加均匀。

4. 光学模拟：对设计的曲面进行光学模拟，验证设计的合理性和效果。

5. 制造曲面：根据设计结果，制造出相应的自由曲面。

五、应用与展望非朗伯分布LED光源的自由曲面设计在照明领域中有广泛的应用。

通过合理设计和优化，可以使LED灯具具有更加均匀和高效的光照分布，提高照明质量和人眼的舒适度。

目前的研究还存在一些挑战，如曲面设计的复杂性、成本的高昂和可制造性的问题。

一种LED照明光源均匀度设计

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］。

非朗伯分布LED光源的自由曲面设计

非朗伯分布LED光源的自由曲面设计随着LED技术的不断发展和进步，LED光源在照明行业中得到了广泛的应用。

在照明设计中，LED光源的自由曲面设计可以为产品提供更多样化的光束发射方式，从而拓展了照明设计师的创作空间。

非朗伯分布LED光源是一种新型的光源技术，其具有非常优异的光学性能。

本文将介绍非朗伯分布LED光源的自由曲面设计原理和方法。

一、非朗伯分布LED光源的特点非朗伯分布LED光源是一种能够实现非朗伯散射的LED光源，其特点主要有以下几个方面：1. 均匀的亮度分布：非朗伯分布LED光源可以实现更加均匀的亮度分布，避免了传统LED光源在近光源处亮度过高，远光源处亮度过低的问题。

2. 广泛的光束发射角度：非朗伯分布LED光源可以实现更广泛的光束发射角度，从而可以满足不同照明场景下的光束需求。

3. 较高的光效：非朗伯分布LED光源在辐射效率和光利用率方面都具有较高的优势，能够实现更高的光效。

4. 自由曲面设计：非朗伯分布LED光源可以通过自由曲面设计实现更加佳的光束控制和光学性能。

非朗伯分布LED光源的自由曲面设计原理主要是通过对LED光源的内部结构和外部形状进行优化，实现对光束的精准控制和发射。

其主要原理包括以下几个方面：1. 光源位置和密度分布：通过合理确定LED光源的位置和密度分布，可以实现对光束的初步控制。

根据照明需求和光学设计要求，可以灵活调整LED光源的位置和密度分布，以实现更加均匀的亮度分布和更广泛的发射角度。

2. 自由曲面设计：通过对LED光源周围的反射面和透镜进行精心设计，可以实现对光束的精准控制。

通过曲面的优化设计，可以实现光束的聚焦、散射、均匀性等特性的调整，从而满足不同照明场景下的光学需求。

3. 光学模拟和优化：通过光学模拟软件进行光学设计和优化，可以实现对光源的光学性能进行精确的分析和评估。

光学模拟可以帮助设计师快速验证设计方案的可行性，从而提高设计效率和准确性。

非朗伯分布LED光源的自由曲面设计方法主要包括以下几个步骤：1. 确定光学需求：根据照明场景的需求和光学性能的要求，确定LED光源的发光角度、光束均匀性、光束形状等关键指标。

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８，９］，可同时设计透镜的多个表面，从而控制光源发出的两个波面，变换成给定的两个输出波面［但是这种计，１０～１２］方法模型复杂，且在得到面形数据后对数据的曲线拟合也有一定的难度。微分方程法［通过数值求解偏
微分方程的方法构造自由曲面的面形，根据光源的光辐射特性及目标面上所需的照度分布推导出关于面形的偏微分方程组，通过数值解析得到面形数据，这种方法目的性强，计算速度快，但是偏微分方程的可解性很
（）中国计量学院测试工程学院，浙江杭州３１００１８摘要以非成像光学为基础，设计了一种在大发散角范围内均匀配光的大功率ＬＥＤ室内照明二次配光透镜方案。采用划分网格法建立光源Ｌ推导透镜自由曲面面形的一般方程，采用差分法求解透镜面ＥＤ和接收面的映射关系，形方程获得面形轮廓数据，再用三维软件建立透镜模型，通过光学仿真软件对所建模型进行光线追迹。结果表明：此方案适用于４配光角度要求的均匀配光；仿真配光角度１的照明系统，当透镜的口径与Ｌ０ ° ４０ ° ２０ ° ＥＤ发光面直～１照明系统的均匀性优于０．能量利用率大于９且照明效果不受接收面高度的影响。该径之比大于等于１０时，９，２％，设计方法为实现大功率ＬＥＤ室内均匀照明系统的小型化和简单化提供了一种有效的途径。关键词光学设计；均匀照明；自由曲面；划分网格法：／中图分类号Ｏ４３９文献标识码Ａｄｏｉ１０．３７８８ＬＯＰ４９．０４２２０１
激光与光电子学进展
（）４９，０４２２０１２０１２
Ｌａｓｅｒ＆ＯｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＰｒｏｒｅｓｓｐｇ
中国激光》杂志社Ｃ２０１２《 ○
用于室内照明的自由曲面均匀配光透镜设计
丁纾姝余桂英郝雯雯
技术的关键。因此需要通过光学设计对光源光线重新分配，在能量损耗尽量小的情况下，将光均匀发散到照
４］来达到均匀照明的效果，这种方法虽然均匀度高，但是由于叠加明面上。以往的一些设计中通过光源阵列［
的配光形式，在一个光源受到遮挡的情况下对均匀性的影响很大，不适于通用照明；而利用二次配光设计达
５，６］，成均匀照明的系统则多数以小功率的Ｌ光源尺寸较小，且配光角度较小［对大功率、大尺ＥＤ为设计对象，
；收到修改稿日期：；网络出版日期：２０１１１１０８２０１１１１２３２０１２０１２０收稿日期：－－－－－－））基金项目：国家自然科学基金（和浙江省重大科技专项（资助课题。６０９０８０３９２０１１Ｃ１２０２５，：作者简介：丁纾姝（女，硕士，主要从事光学设计方面的研究。Ｅ－ｍ１９８７—）ａｉｌｓｈｕｚｉｕｘ６３．ｃｏｍ＠１ｑ，导师简介：余桂英（女，硕士，教授，主要从事照明和测量等方面的研究。１９６５—）：通信联系人）ｕｕｉｉｎ１１＠１Ｅ－ｍａｉｌ６３．ｃｏｍ（ｙｇｙｇ０４２２０１１－
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４９，０４２２０１
激光与光电子学进展
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寸ＬＥＤ的配光设计相对比较欠缺。利用非成像光学理论构建自由曲面透镜，重新分配光源能量，能有效实现均匀照明。目前常用的自由曲。多参数优化微分方程法、划分网格法以及多表面同步设计法（面设计方法主要有多参数优化法、ＳＭＳ）［７］法在已有的光学面形下，通过反复优化得到光学面形，设计周期长，效率较低。ＳＭＳ法针对扩展光源设

１引言
在节能、环保和使用寿命等很多方面都有卓越的表现。随着ＬＬＥＤ作为第四代新型光源，ＥＤ光效的大［１，２］。室内照明幅度提升，在室内和公共照明上更是有巨大的发展潜力ＬＥＤ在照明方面的应用也日趋广泛，