一种基于自由曲面的LED准直透镜设计
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LED光源的DLP投影照明系统的设计与仿真
基于LED光源的DLP投影照明系统的设计与仿真近年来，移动显示技术的发展使得微型投影逐渐成为一种个性化的消费方式。
同时，伴随着大功率LED 日渐成熟，以LED 为光源的微型投影仪应运而生，其市场份额和受众群体也在逐年增大。
微型投影仪是一种便携式图像信息显示设备，其中DLP 是其中的主流投影技术，其核心器件是由德州仪器公司开发的数字微型器件（DMD）。
基于LED 光源的DLP 投影系统主要包括照明和成像两个部分，其中照明部分是整个投影系统的光引擎。
从LED 发出的光在角空间的分布遵循余弦定律，不能直接用于投影照明系统。
投影仪的照明部分又包括准直、匀光、合束、聚焦四个部分，作用就是对从LED 发出的光进行准直和匀光，使得最后的光斑满足照明需求。
标签：LED 光源；DLP；投影照明系统；设计；仿真一、引言过本项目的研究，使仪器可以得到更规则更均匀的光斑，使其更好的被后续利用。
研究内容主要为DLP投影照明系统的研究现状的概述，发展方向，存在的问题；它的结构与工作原理，理论上的优化设计，与软件的仿真分析改善，用软件进行光学器件的模拟与光路仿真。
采用LED 光源，主要以DLP 投影照明的光路设计为核心，对DLP投影照明系统的原理非成像光学等理论进行概述。
对LED 的准直进行研究，分别采用CPC、自由曲面TIR 透镜进行准直，提出了一种基于微透镜阵列的TIR透镜，系统匀光器件采用整体复眼透镜。
分别使用Matlab 和Pro/Engineer 进行相关数据的计算以及相关器件的建模，并使用Light Tools 和Tracepro 对光学器件和光路进行模拟和仿真，最终得到了比较高的均匀度和光能传输效率，使得最终光学体积也大大缩小，从而实现了DLP 投影系统的便携化。
二、DLP 投影照明系统的结构和原理1.设计方法DLP（数字光处理）投影技术，它是通过对输入的图像信号进行数字处理然后投影出来。
DLP 投影技术的最基本器件是DMD（数字微镜器件），DMD 是一种结合光机械和电子机械的器件，由TI（美国德州仪器公司）开发专门用于DLP投影设备的芯片DLP投影系统通常根据采用DMD片数分为单片式和三片式，三片式DLP投影仪亮度比较高，由于采用多片DMD增加了成本，而且结构设计十分复杂，故在大多数场合下采用DLP单片式投影系统。
基于自由曲面透镜的LED路灯配光优化设计
基于自由曲面透镜的LED路灯配光优化设计杨凯;李晓艳;林斌;陈亮;石岩;金尚忠【期刊名称】《光子学报》【年(卷),期】2015(0)7【摘要】为了提高光能利用率和照度均匀性,减小炫光的产生,需要对LED路灯进行二次光学配光设计.本文以空间光折射定律为基础,对LED光线空间和路面区域进行一一对应的网格划分,结合优化的双向迭代算法生成自由曲面透镜,实现矩形光斑输出.仿真结果表明,配光后的LED整体光能利用率为90.4%,能量基本被限制30m×13m的矩形区域内,水平方向和垂直方向的照度均匀度分别为83.2%和71.7%.当LED以30m间隔平行排列时,可以在路面形成宽度约为14m的光斑,垂直照度均匀度提高为77.2%.据此开模制造的LED路灯配光曲线为蝙蝠翼型,横向和纵向±62°和±40°范围内的平均照度分别为31.17lx和25.72lx,满足国家道路照明标准,实验验证了该透镜设计算法的可行性和实用性.【总页数】6页(P53-58)【关键词】LED;自由曲面;优化设计;迭代;照度均匀度【作者】杨凯;李晓艳;林斌;陈亮;石岩;金尚忠【作者单位】浙江大学光电信息工程学系;浙江大学国家光学仪器工程技术研究中心;中国计量学院光学与电子科技学院光电子技术研究所【正文语种】中文【中图分类】O439;O432.2【相关文献】1.一种利用自由曲面透镜的LED路灯配光设计与研究 [J], 罗元;毛建伟2.LED路灯自由曲面二次光学透镜的设计 [J], 于莉媛3.LED路灯自由曲面二次光学透镜的设计 [J], 于莉媛4.基于路面亮度系数表的路灯配光优化及透镜设计 [J], 王巍;葛爱明;邱鹏;王俊伟;蔡金林5.LED路灯的自由曲面二次透镜设计 [J], 乔庆飞;林峰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
快速实现矩形准直光束的高集光效率LED透镜设计
快速实现矩形准直光束的高集光效率LED透镜设计刘典宏;张晓晖;张爽【摘要】为了实现LED矩形准直光束,提出一种快速构建高集光效率LED透镜的设计方法.基于分步法、边缘光线定理和几何光学定律,分步设计两个自由曲面轮廓线,快速获取两个自由曲面并构建透镜.结果表明:当LED距透镜内曲面尺寸与LED 尺寸的比值为6时,系统的半峰全宽为2.3° ×1.15°,集光效率为82.6%,可以有效地实现矩形准直光束.随着比值的增大,透镜的尺寸变大,但是半峰全宽变小,透镜集光效率变高.根据设计参数加工了透镜并对仿真结果进行了实验验证.该方法为实现LED 矩形准直光束提供了一种有效途径.%In order to realize LED rectangular collimated beam, a fast design method for LED lens with high optical collection efficiency was presented. Two free-form surface contours were designed based on step-by-step method, edge ray theory and geometrical optics law. Based on them, two free-form surfaces were obtained quickly and the lens was constructed. When the ratio of the length be-tween lens inner surface and LED to the LED size is 6, the full width at half maximum (FWHM) of the system is 2 . 3 ° × 1 . 15 ° , and the light collection efficiency is about 82 . 6%, which can effective-ly realize rectangular collimated beam. As the ratio increases, the size of the lens becomes larger, the FWHM becomes smaller, and the collection efficiency of the lens becomes higher. According to the design parameters, a lens was manufactured and the simulation results were experimentally veri-fied. This method provides an effective way to realize the rectangle collimated beam of LED.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2017(038)007【总页数】7页(P960-966)【关键词】矩形准直光束;高集光效率;分步法;自由曲面;LED【作者】刘典宏;张晓晖;张爽【作者单位】海军工程大学兵器工程系,湖北武汉 430033;海军工程大学兵器工程系,湖北武汉 430033;海军工程大学兵器工程系,湖北武汉 430033【正文语种】中文【中图分类】O439LED作为一种新型的节能光源[1-3]，相比传统光源，具有体积小、功耗小、光效高和寿命长等特点。
实现LED均匀照明的透镜自由曲面设计的集成程序
实现LED均匀照明的透镜自由曲面设计的集成程序陈超;王耀国;曹艳亭;余静;黄杰;梁培【期刊名称】《照明工程学报》【年(卷),期】2017(28)4【摘要】我们介绍了实现LED均匀照明的透镜自由曲面设计的集成程序.集成程序具有自定义透镜和查表透镜两种功能.自定义透镜的数据文件可导入SOLIDWORKS、PROE等机械设计软件生成实体模型或者利用VB调用SOLIDWORKS得到step格式的模型,然后利用TRACEPRO等光学软件模拟仿真.查表透镜包括了55种常用透镜,每种透镜对应的各项参数、3维模型、仿真效果图以及单位功率芯片作用下平均照度值都能在界面上呈现.%This paper introduces integrated program of lens design to realize the LED uniform illumination, since the emission characteristics of the most LED behave as Lambertian source.The existing formula and algorithm are integrated by MATLAB, then the lens can be got by user-defined or check table.A lens of user-defined is Structured through Structuring software SOLIDWORKS or PROE, and verified by TRACEPRO.The check table includes 55 kinds of common lens.When a lens is selected, its parameter, 3 dimensional Structure, simulation results and unit power chip under the effect of the average illumination value will be presented at the interface.【总页数】7页(P119-125)【作者】陈超;王耀国;曹艳亭;余静;黄杰;梁培【作者单位】中国计量大学光学与电子科技学院,浙江杭州 310018;武汉船舶通信研究所,湖北武汉 430205;中国计量大学光学与电子科技学院,浙江杭州 310018;中国计量大学光学与电子科技学院,浙江杭州 310018;中国计量大学光学与电子科技学院,浙江杭州 310018;中国计量大学光学与电子科技学院,浙江杭州 310018【正文语种】中文【中图分类】TM923【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.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3.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4.实现LED台灯均匀照明的自由曲面透镜仿真设计 [J], 卓友望;葛子平5.实现道路均匀照明的LED自由曲面透镜设计方法综述 [J], 史永胜;买迪;宁磊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
实现均匀照明的自由曲面光学透镜设计
实现均匀照明的自由曲面光学透镜设计周延桂【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.【期刊名称】《科技视界》【年(卷),期】2019(000)012【总页数】2页(P32,81)【关键词】LED;自由曲面;照明配光设计【作者】周延桂【作者单位】佛山科学技术学院,广东佛山528225【正文语种】中文【中图分类】TM923.34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]。
实际中，常需要对LED 光源进行二次光学设计以实现预设的照明效果。
由于LED 常被当作点光源进行研究。
而将点光源的光强分布转换成预设的照明分布，目前存在两种方法。
一是通过建立光能的传输方程，求解该方程可得到相应的自由曲面[2]；二是通过建立光源和目标面之间的光能拓扑映射关系，从而构建自由曲面坐标[3，4]。
相比前者，方法二更加实用和有效，能够快速实现LED 均匀照明的自由曲面设计。
照明配光设计是光源与照明专业的学生要求掌握的基本技能。
本文通过建立点光源和目标面之间的光能映射关系，然后通过MATLAB 编程，点对点计算自由曲面坐标，并利用CAD 建模，最后导入TracePro 软件进行模拟仿真。
该流程的教学，旨在加深学生对光能传播的理解程度，培养学生编程解决实际问题的能力。
本文中，LED 光源被看作点光源。
整个照明系统包括了光源、透镜及目标面三部分。
自由曲面透镜的前表面为球面，其球心位置与光源重合，光源发出的光经过球面后不发生偏转，在设计中只需要计算一个曲面即可。
本文所有模型都呈旋转对称分布，因此设计中只需计算一条母线，然后通过旋转可得到透镜的实体模型[5]。
用于LED平板灯面板均匀照明的自由曲面透镜设计与实现
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赖丽萍， 庄 其仁 ， 刘士伟 ， 胡奕彬
（ 华侨 大 学 信 息科 学与 工程 学院 ， 福建 厦 门 ３ ６ １ ０ ２ １ ）
摘 要 ： 设 计 了一 种 Ｐ ＭＭ Ａ 自 由 曲 面 透 镜 ， 用 于无 导光 板 结构 的 Ｌ Ｅ Ｄ 平 板 灯 。该 透 镜 基 于 自 由 曲 面 透 镜 的 折 射 和 全 反 射 原 理 实现 出射 光 的 重 新 分 布 ， 可 用 于均 匀照 明 Ｌ Ｅ Ｄ 平 板 灯 的 出光 面 板 。 采 用 数
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基于知识的自由曲面型汽车前照灯设计方法
基于知识的自由曲面型汽车前照灯设计方法自由曲面型汽车前照灯是现代汽车设计中非常重要的元素之一，不仅可以提高行车安全性，还可以提升整个汽车的设计感和美观度，成为汽车外观设计的亮点。
那么，如何设计一款优秀的自由曲面型汽车前照灯呢？本文将分享以知识为基础的设计方法。
首先，设计者需要了解自由曲面设计的相关知识，比如理解贝塞尔曲线、NURBS曲线和草图建模等技术。
贝塞尔曲线是一种通过控制点来刻画曲线的数学模型，可以精确地控制曲线的弯曲度和流畅度；NURBS曲线是一种基于贝塞尔曲线的三维曲面建模技术，其包含了曲线和曲面控制点的权重信息，可以更加准确地表达设计者的意图；草图建模则是一种快速建模的技术，可以在短时间内快速概括出设计者的设计思路，为后续的建模提供参考。
接着，设计者需要研究相关市场调研数据，了解消费者对于汽车前照灯设计的喜好和需求。
通过市场调研，可以得出一些有价值的信息，比如消费者对于大灯形状、颜色和亮度等因素的看重程度，以及消费者的用车需求等等。
这些信息可以帮助设计者更好地确定前照灯的设计要求和目标，并从消费者的角度出发进行设计。
设计者还需要熟悉相关的3D建模软件，比如CATIA、SolidWorks等，这些软件可以帮助设计者在计算机上进行虚拟的设计和仿真，通过长时间的建模和调试，设计者可以不断地优化设计，挑选出最合适的前照灯方案。
同时，设计者还需要善于运用设计工具拓展自己的创意，通过不断的试错和探索，尝试出不同的设计方案，从而为自由曲面型汽车前照灯的设计提供丰富的想象空间。
最后，设计者需要与汽车制造商和其他相关专业人士进行协作，优化前照灯的设计方案，并确保其符合汽车的工程要求和安全标准。
通过协作，设计者可以更好地理解前照灯对于汽车安全性和性能的影响，并获得更多实用的建议和技巧，帮助自己成为优秀的自由曲面型汽车前照灯设计师。
综上所述，自由曲面型汽车前照灯设计需要全面的知识储备、丰富的设计想象力以及高效的团队协作能力。