led自由曲面的ir透镜设计.docx

led自由曲面的ir透镜设计 0 次光学系统设计及结果 由于三角形是一种面光源，反射光的分布基本上是朗伯分布的，分散角约为120。如果直接应用，也难以满足照明设备所需的光学纯度，如亮度、平整度等。因此,在实际应用上往往需要对LED光源进行二次光学设计以满足需要的照明指标。在提高照明器件亮度的指标上,除了增加LED光源个数及增加单个LED光通量之外,一个最有效的途径就是设计合理的二次光学系统以提高LED光源的光能利用率,增加照射到照明器件的光通量。最常见的是利用复合抛物面聚光器(CPC)对光束进行整形,但该光学元件必须具有较长的工作距离,并且在器件尺寸较小的情况下,CPC是一种口径小、长度相对较长的结构,增加了加工的难度。 本文设计了一种自由曲面的全内反射透镜(TIR透镜)来代替CPC聚光器,利用几何光学控制光线走向,可以有效收集LED大范围的出射光,既实现光能的高效利用,也保证了照明系统的小型紧凑化。文章根据大功率LED的出射光分布特点,详细介绍了一种自由曲面TIR透镜的设计方法,并利用tracepro软件对光线进行追迹,根据追迹结果对设计做出评价。 1 led光的出射光分布 为达到LED照明系统的结构紧凑化,采用单颗大功率LED光源作为设计对象。综合比较各大公司大功率LED光源特性后,选择美国Lumileds公司的Luxeon Ⅴ系列大功率LED光源作为设计光源原型,该光源芯片尺寸为0.75mm×0.75mm,光束发散角为150°,且出射光形成的照度沿径向迅速衰减。图1是实验测得该型号光源的出射光分布图,从图中可见,该型号的LED光强随发光角分布基本上为一标准的朗伯分布,大部分光能量集中在±60°以内,这些光束如未经过光学元件收束很难都照射到照明器件表面,无法满足照明指标要求,因此必须对其进行二次光学设计,设计中暂定光源的光通量100lm。在以下的非成像仿真中,用0.5461μm波长的光线20万条来模拟。 2 tir透镜设计 该TIR透镜的设计目的在于尽可能收集从LED光源射出的光线,并同时减小光束的发散角,减小数值孔径,在实现照明器件的高亮度照明的同时,也有利于后续光学系统的设计,提高光能的利用率。由于自由曲面TIR透镜是通过追踪每条光线的行走路径来获得透镜的曲面形状,很难获得透镜结构与照明要求的函数关系。因此在设计中主要采用光线追踪和结构优化相结合的方法,通过理论计算每条光线路径来获得透镜曲面的初始结构,再通过模拟仿真对结构进行优化,在实现一定光能利用率的前提下,得出能完成光束收集的最佳TIR透镜结构。 TIR透镜的工作原理如图2所示。其工作曲面由曲线1、直线1,直线2、曲线2和直线3构成的横截面经旋转360°构成。其中曲线1和直线3一组,其旋转面构成中心非球面,对从LED发出的中心光束进行收束;直线1、曲线2和直线3构成一组,其旋转面构成侧面反射面,对LED发出的侧面光束进行收束。二部分光线都经过透镜顶端平面出射到达目标照明区域。在设计中,直线2不起光学作用,长度约0.5mm进行固定,直线1起点S0可事先固定,终点在中心非球面末端,一般要求直线1倾斜2°~3°。为方便使用注塑手段进行大规模批量生产,本TIR透镜的材料采用PMMA,其折射率为1.4935。整个T IR 透镜结构的设计过程主要分为以下两个部分。 2.1 q点矢量的计算 设计光路参考图3,首先在中心非球面上确定一起始点P0(x0,y0),从透镜顶端中心向该点引出一入射光光线,则入射光线方向矢量→Ιn1=(sinθ0,cosθ0)In1?→?=(sinθ0,cosθ0)。入射光线在P0处折射后再从P0出发经平面Q0处折射到达目标点T。根据费马最短光程原理可以计算得到Q0,则经中心非球面折射后的出射光方向即可确定:→out1=→Q0-→Ρ0|→Q0-→Ρ0|out1?→?=Q0?→?P0?→|Q0?→?P0?→|。此外,根据折射定律,非球面P0处法线方向为→Ρ0Ν0=n→out1-→Ιn1,假定中心非球面是连续的自由曲面,非球面上紧邻P0点的下一点P肯定是在前一点的切线上。设经过P点的入射光线的入射角为θ,则该入射光线的方向矢量为→Ιn=(sinθ,cosθ),入射点矢量→Ρ=k→Ιn,根据P点位于P0的切线上的结论,有(→Ρ-→Ρ0)?→Ρ0Ν0=0,可得到k=→Ρ0?→Ρ0Ν0→Ιn?→Ρ0Ν0,从而得到→Ρ点矢量的具体表达形式,由P点发出的出射光线经过Q点同样到达T,由费马最短光程原理同样可得Q点,并确定出射光矢量→Οut=→Q-→Ρ|→Q-→Ρ|。再次确定经过P点入射光的法线方向→ΡΝ=n→Οut-→Ιn,可作下一步的计算。按照以上步骤即完成了由P0向P的求值过程,如果将LED光束的中心光束从0~θmin分成几份(其中θmin表示射到中心非球面的入射光