基于slonl的led燈具透鏡設(shè)計

基于slonl的led燈具透鏡設(shè)計

0led照明技術(shù)楊氏多量化鉀光刻沖程裝置（light）具有體積小、壽命長、電機電壓低、光譜強度穩(wěn)定、光譜轉(zhuǎn)換效率高、光譜覆蓋大、環(huán)保節(jié)能等特點，并在照明行業(yè)發(fā)揮重要作用。根據(jù)我國開展的綠色照明工程調(diào)查顯示,中國能源消耗總量12%是用于照明,如果LED照明技術(shù)能夠完全取代傳統(tǒng)白熾燈照明技術(shù),大約可節(jié)省30%的照明用電,這對能源日漸緊張的當今社會,無疑具有重要的意義。LED光源用于商場或工廠等室內(nèi)照明,需要在照明接收面上得到較大范圍的且均勻的照明區(qū)域。而經(jīng)過原始封裝好的LED光源的發(fā)光形式是輻射角約100°~120°的朗伯體分布,即發(fā)光光強正比于極向角余弦的光分布。圖1顯示的是未經(jīng)重新配光設(shè)計的LED光源在接收面的照度分布圖和角分布圖。從圖中可以看到,未經(jīng)過光學設(shè)計LED光源發(fā)光范圍小,照明區(qū)域不均勻,投射到接收面上的光線分散,照明區(qū)域小,不能滿足特定的室內(nèi)照明需要。因此,對于封裝好的LED光源再做一次光學設(shè)計,即二次光學設(shè)計,使之滿足室內(nèi)照明的特殊需要是LED燈具設(shè)計的一個重要過程。1自由曲線透鏡的二次光學設(shè)計方法1.1可實現(xiàn)二次光學自由曲面透鏡的優(yōu)點傳統(tǒng)二次光學照明設(shè)計,是基于成像光學的方法,先建立一個初步的光學結(jié)構(gòu),再利用光學設(shè)計計算軟件,在最初的光學結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用最小二乘法不斷優(yōu)化改進,從而達到滿足照明條件的結(jié)果。這種優(yōu)化方法的優(yōu)點是計算結(jié)果比較準確,其缺點也是比較明顯的:計算優(yōu)化對數(shù)學要求較高,消耗時間較長,對用于模擬計算的計算機配置有很高需求,而且對設(shè)計人員的計算編程能力要求也比較高。為了解決傳統(tǒng)光學設(shè)計遇到的以上問題,本文提出一種新的易于實施計算的LED二次光學自由曲面透鏡的設(shè)計方法,這種方法設(shè)計出的二次光學透鏡配合LED光源,可以在接收面達到大范圍均勻照明的效果。其實現(xiàn)原則是:基于能量守恒定律,對LED朗伯體型光源的發(fā)光通量和目標圓形接收面建立一一對應(yīng)關(guān)系;遵循光線折射Snell定理,通過線性方程計算透鏡曲面點坐標,并借助三維計算機輔助軟件(CAD)構(gòu)造二次光學自由曲面透鏡。1.2sell定律構(gòu)造目的區(qū)域用區(qū)域分割的方法實現(xiàn)接收面均勻照明,其基本思想如圖2所示:將全空間的出射光線按照極向角的度數(shù)做一定數(shù)目的區(qū)域分割,將照明接收面對應(yīng)分成相同數(shù)目的區(qū)域,這些區(qū)域的面積大小、比例取決于前面按照極向角分割的各區(qū)域光線的光通量之比。經(jīng)上述分割后,相鄰極向角度范圍內(nèi)的所有光線能量(即光通量)和接收面的幾何區(qū)域就可以建立一一對應(yīng)關(guān)系。利用光線折射的Snell定律,由LED光源發(fā)出,依照極向角分割的每個區(qū)域的全部光線投射到與之對應(yīng)的接收面幾何區(qū)域上。由于某個接收面的照度大小等于投射到該區(qū)域的光通量除以該區(qū)域的面積,因此,在前文所述的操作下,整個接收面可以達到均勻照明的效果。1.3極向角ue鋼絞線封裝后的LED發(fā)光呈約120°的朗伯體型光源形式,即:I(θ)=I0cosθ,其中I0是LED光源中心光強,θ是出射光線與豎直方向極軸的夾角。定義φ為光源出射光線與軸向方向的夾角,則總光通量可以由發(fā)光光強對全空間的積分得到:首先對極向角θ作均勻分割,本文設(shè)定的LED光源極向角的范圍為0°~60°,將極向角平均分成100個區(qū)間,根據(jù)式(1)容易求得,對于θi到θi+1之間區(qū)域的光通量為其后對照明接收面分割,定義:αi=ue788i/ue788total,在目標圓形接收面上劃分100個同心圓,這100個同心圓區(qū)域滿足規(guī)則:第i個圓和第i-1個圓之間所夾的環(huán)形區(qū)域的面積與整個圓形接收區(qū)域面積的比值正好等于αi。對于所選發(fā)光光源,極向角在θi到θi+1的區(qū)間的所有光線被限制在第i個圓和第i-1個圓之間所夾的環(huán)形區(qū)域中。于是建立了光源能量和接收面區(qū)域的一一對應(yīng)關(guān)系,由前文論述可知,接收面被分割的每份區(qū)域照度值都相等,即整個接收面可以達到均勻照明的效果。1.4算法的基本過程光線折射的Snell定理是:其中,n為制作透鏡材料的折射率,I、O分別為入射光線與出射光線的單位方向向量,N為法向方向的單位方向向量。對于實現(xiàn)大范圍均勻圓形照明,由于出光光源和接收面均相對極軸呈中心對稱,因此只需選定一個過極軸的截面,并在該截面上計算自由曲面透鏡在該截面上的相應(yīng)折射點后,將這些折射點連接成曲線并繞極軸旋轉(zhuǎn)360°即可得到自由曲面透鏡實體。圖3所示是計算透鏡截面上點坐標的幾何示意圖。定義光源中心與透鏡頂點P0(R0=0,H),在P0點上透鏡的法向量N0=(0,1),并且第i條入射光線的入射方向單位向量已由極向角θi確定,Ii=(cosθi,sinθi)用遞推法構(gòu)造自由曲面透鏡上的點,在已知透鏡上的點Pi(xi,yi)和法向量Ni時,可由下面的遞推方法求得Pi+1(xi+1,yi+1)及法向量Ni+1:(1)在Ii+1的方向上取Pi+1(xi+1,yi+1),滿足PiPi+1連線與Ni垂直,利用平面解析幾何的方法,容易求出Pi+1的橫縱坐標分別滿足(2)在得到Pi+1∶(xi+1,yi+1)的坐標之后,由于第i+1條入射光線,入射到透鏡上點坐標為Pi+1(xi+1,yi+1),并在該點經(jīng)透鏡折射到接收面上的坐標點Mi+1∶(Ri+1,H),于是可以計算出出射方向的單位矢量Oi+1:(3)將新得到的Oi+1結(jié)合已知的Ii+1代入Snell方程中,即可求得透鏡曲面在Pi+1(xi+1,yi+1)處的法向量Ni+1的值。將新得到的法向量Ni+1的值重新代回遞推方法中,即可推出整個截面上LED光學透鏡的輪廓點坐標。將這些坐標點連接成曲線用CAD軟件繞極軸旋轉(zhuǎn)360°并經(jīng)由實體化處理后,得到透鏡實體如圖4所示。遞推算法由Matlab編程計算實現(xiàn),整個過程用Intelcore2雙核2.4G處理器計算,程序運行時間小于10s。因此,該設(shè)計方法提高了LED照明燈具透鏡二次光學設(shè)計的效率。2tacepro的光跟蹤模擬本文利用了基于蒙特卡羅方法的光學追跡軟件Tracepro建立模型對接收面的照明效果進行模擬。光學模型的建立和模擬光學模擬追跡軟件Tracepro是LambdaResearchCorporation研制的一套以ACISSolidModelingKernel為基礎(chǔ)的商用光學軟件,被廣泛應(yīng)用在鏡頭設(shè)計,背光源設(shè)計,LED燈具照明設(shè)計模擬等方面。Tracepro利用普適光線追跡技術(shù)來追跡光線,這種技術(shù)允許操作者將光線引入到構(gòu)建完畢的模型中,在光線與模型的交界點,個體光線根據(jù)表面性質(zhì)遵從吸收、反射、衍射和散射等規(guī)律,從而得到整個空間的光學分布。用Tracepro建立光學模型并模擬計算的一般流程是:(1)建立幾何模型;(2)設(shè)定光學材質(zhì);(3)定義光源參數(shù);(4)開始光學模擬;(5)分析模擬結(jié)果。由于Tracepro兼容ACIS固體模型標準,因此用一般CAD軟件如solidworks,AutoCAD,Pro/E等構(gòu)建出的模型,都可以導入Tracepro建模進行光學追跡模擬。確定led接收面為二次光學透鏡的可行性本文中的光學模擬部分光源采用25顆集成大功率1mm×1mm的LED芯片,光效設(shè)定為100lm/W,總光通量為2500lm。將透鏡設(shè)置在距接收面上方3m高處,LED集成光源出光極軸方向垂直于接收面,照明接收面設(shè)定為直接為10m的圓形區(qū)域。自由曲面透鏡的材料選擇BK7玻璃,該材料折射率約為1.51。在Tracepro中建立光學實體模型,表面光源發(fā)出的光線總數(shù)為100000條。通過光學追跡模擬后,得到如圖所示的接收面的照度分布如圖5所示。從圖5(a)整個接收面照度分布看到在直徑為10m的圓形接收面區(qū)域,均勻度可以達到80%以上(均勻度定義為整個區(qū)域最低照度除以整個區(qū)域平均照度);而由圖5(b)區(qū)域坐標系(即水平軸)照度分布圖看出,在水平方向坐標為-5m到5m的區(qū)域內(nèi)的接收面照度基本相同,近似于在整個接收面的最大照度值;而水平方向-5m和5m之外的區(qū)域照度迅速減小,說明LED光源發(fā)出的光通量被限制在選定的照明接收區(qū)域中;由圖5(c)發(fā)光光源光強角分布圖看出,光源發(fā)射出的光通量能夠在較大的角度出射。綜上可述,此LED二次光學透鏡可以在光學接收面實現(xiàn)大范圍均勻照明的效果。因此本文設(shè)計可以被應(yīng)用在商場,工廠作業(yè)等需要大范圍均勻照射的LED室內(nèi)照明燈具的設(shè)計上。3次光學透鏡提出了一種新的易于運算的LED二次光學透鏡設(shè)計方法,基于光線折射的Snell定理和能量守恒定理,將LED發(fā)光光源出射的光通量和接收面區(qū)域環(huán)形區(qū)域一