论文（设计）LED二次配光透镜设计.pdf

江苏大学硕士学位论文摘要在当今能源紧缺，环境污染的严峻形势下，新一代照明光源LED(发光二极 管，Light Emit t ing Diode)以其独特的优势，在各个行业均得到了广泛应用。然 而，如何对LED进行高效的配光设计，以满足各个应用领域对照明灯具的要求，成为目前LED照明领域亟待解决的重大课题。为了实现LED照明系统的高效 率、小型化，需要针对LED光源进行二次配光设计。本课题是在非成像光学与 自由曲面理论基础上，针对大尺寸以及RGBW全彩LED光源的光学系统设计进 行研究。具体研究内容如下：研究自由曲面面型的设计方法，基于边缘光线理论、能量守恒定律和几何光 学基本定律,采用计算过程和编程简单的ODE(Or dinar y Differ ent ial Equat ion)法，设计了一款照度均匀的平凸透镜；采用几何求解法，设计了一款全内反射准直透 镜；基于试错法，设计了手电筒变焦透镜和非对称洗墙灯透镜。针对大尺寸LED光源的变焦透镜，将ODE自由曲面法和试错法相结合，设 计了一款用于舞台灯照明的变焦透镜组，实现了聚光和泛光状态都均匀的照明效 果；在现有手电筒结构基础上，用全内反射(TI R)结构，成功设计了一款远射 程的手电筒变焦透镜。针对RGBW全彩LED光源的舞台灯照明，为了解决光束角单一和操作困难 的缺陷，提出一种由调焦片和TI R透镜组合的变焦透镜系统。并针对RGBW光 源用于舞台灯照明时混光差和光斑不均匀的现象，提出了一种非规则六边形复眼 透镜阵列结构。为了解决洗墙灯的远照射距离和高均匀度不能同时兼顾的难题，提出了非对 称透镜结构。针对洗墙灯照明时容易出现的光斑分层和黄斑现象，提出了一种新 型匀光结构。成功设计出一款光斑均匀、投射距离远的洗墙灯透镜。所有设计的产品都开模并测试，实际的测试效果与软件仿真结果基本吻合,验证了所提出方案的准确性与可行性。关键词：非成像光学，LED二次配光设计，连续变焦系统，照度均匀度LED二次配光透镜设计ABSTRACTNowadays,in t he gr im sit uat ion wit h ener gy shor t age and envir onment al pollut ion,a new gener at ion of LED light ing wit h it s unique advant ages have been used in var ious indust r ies widely.However,how t o impr ove t he efficient of LED light dist r ibut ion design t o meet t he light ing r equir ement s in var ious applicat ion ar eas become a pr oblem t o be solved in t he field of LED light ing.To achieve high efficiency and miniat ur izat ion of t he LED light ing syst em,it is necessar y t o design t he secondar y light dist r ibut ion fbr t he LED light sour ce.This subject is based on t he non-imaging opt ics and fr ee-fbr m sur face t heor y,and r esear ch for opt ical syst em design wit h lar ge-size and RGBW fullcolor LED light sour ce.The specific r esear ch cont ent s ar e as follows:Based on t he t heor y of edge r ay,t he law of conser vat ion of ener gy and t he basic law of geomet r ical opt ics,a simple ODE met hod was pr oposed,and a flat convex lens wit h unifor m illuminat ion was designed.Accor ding t o t he basic law of geomet r ical opt ics,a geomet r ic met hod t o solve t he fr ee sur face met hod was pr oposed t o design a t ot al int er nal r eflect ion collimat or lens.Based on t r ial and er r or met hod,we designed a flashlight zoom lens and asymmet r ic wall washer lens.Aiming at t he zoom lens of lar ge size LED light sour ce,t he ODE fr ee sur face met hod,t he t r ial and er r or met hod wer e combined t o design a zoom lens gr oup fbr st age light ing,which r ealized t he unifor m light ing effect of condenser and flood light.Based on a flashlight st r uct ur e,wit h a t ot al int er nal r eflect ion(TI R)st r uct ur e,a long r ange of flashlight zoom lens was designed successfully.F or t he st age light ing of RGBW full color LED light sour ce,t o solve t he pr oblem of single beam angle and difficult oper at ion,a zoom lens syst em combined wit h focusing lens and TI R lens was pr oposed.And for t he RGBW light sour ce for t he st age light illuminat ion when t he mixed light and uneven spot phenomenon,we pr oposed an ir r egular hexagonal eye lens ar r ay st r uct ur e.To solve t he pr oblem t hat t he far dist ance and high unifor mit y of t he wall washer cannot be consider ed at t he same t ime,an asymmet r ic lens st r uct ur e was pr oposed.A 江苏大学硕士学位论文new t ype of unifor m st r uct ur e was pr oposed fbr t he spot t ing and macular phenomenon,which was easy t o occur when t he wall was illuminat ed.We also designed a unifor m spot,pr oject ion dist ance away fr om t he wall lamp lens successfully.All t he designed pr oduct s wer e modeled and t est ed.The act ual t est r esult s wer e in good agr eement wit h t he soft war e simulat ion r esult s,which ver ified t he accur acy and feasibilit y of t he pr oposed scheme.Keywords:Non-imaging opt ics,LED secondar y light dist r ibut ion design,Cont inuous zoom syst em,I lluminat ion unifor mit yiii目录摘要.IABSTRACT.II1绪论.11.1 课题研究背景.11.2 LED应用于照明的优势.11.3 LED二次光学的设计方法.21.3.1 LED二次光学透镜设计的研究现状.21.3.2 LED变焦透镜国内外研究现状.61.4本课题的研究意义和主要内容.71.4.1研究意义.71.4.2主要研究内容.82 LED二次配光透镜设计的理论基础.102.1光度学基本理论.102.2非成像光学设计的基本理论.122.2.1边缘光线原理.132.2.2斯涅尔定律.132.2.3光学扩展量.142.3舞台灯系统结构和工作原理.152.3.1 LED变焦系统的工作原理.152.3.2舞台灯系统的主要参数属性.162.4本章小结.173大尺寸LED光源的变焦透镜设计.183.1双透镜组的变焦系统设计.183.1.1双透镜组的变焦原理.183.1.2二次透镜的设计与分析.193.1.3自由曲面轮廓曲线方程的建立.203.1.4基于0DE方法的平凸透镜建模与分析.233.1.5变焦透镜系统的验证.253.2 LED变焦手电筒设计.273.2.1手电筒的结构及原理.273.2.2 变焦手电筒的设计及优化.283.2.3 产品的测试与修正.313.2.4射程测量.343.3本章小结.354基于RGBW全彩LED光源的舞台灯变焦透镜.374.1舞台灯变焦透镜原理.374.1.1 RGBW光源的选取.374.1.2舞台灯变焦透镜的结构及原理.384.2 TI R准直透镜的设计.384.2.1准直透镜的原理及初始结构.384.2.2 自由曲面的几何算法.394.2.3 基于几何算法的准直透镜设计.40LED二次配光透镜设计4.2.4 准直透镜的验证.414.3 变焦透镜的设计及优化.434.3.1 复眼透镜阵列的结构及设计方法.434.3.2 变焦透镜的设计.454.3.3混光的优化.464.4 透镜的验证与测试.484.4.1变焦过程的验证.484.4.2透镜的测试.504.4.3调焦片的修正.504.5本章小结.515 一种新型高效率洗墙灯的设计与应用.535.1研究背景.535.2 洗墙灯透镜的设计.535.2.1洗墙灯透镜的初步建模.535.2.2透镜的优化.545.3 产品测试.585.4 本章小结.596总结与展望.616.1研究总结.616.2展望.62参考文献.63致 谢.66在学期间发表的学术论文及其他科研成果.67江苏大学硕士学位论文1绪论1.1 课题研究背景近年来，随着人类对自然资源和能源消耗的逐渐增加，由此而引起的环境污 染和生态破坏问题也日益突出。受能源危机的影响，LED以及相关行业已经成为 世界各国的研究热点。为了应对LED照明产业的发展趋势，各国政府也纷纷采 取行动，一方面逐步停止白炽灯，另一方面出台相关政策推动LED照明行业的 发展。早在1998年，日本就率先开展了“21世纪照明”计划，通过LED技术来提 高照明的能量效率；在2000年，欧盟启动了“彩虹计划 用于推广白光LED的 应用；2004年韩国推出了“GaN半导体开发计划“。我国在2003年制定并启动了“半导体照明系统工程、首次将LED作为国家发展战略来推动，接着在2006年 又启动了 LED照明工程863计划，2009年，我国多个部门联合发表了半导体 照明产业发展意见，希望此政策能提升LED照明产业技术水平川。目前我国已 经成为全球LED封装和应用产品的重要基地，并且在很多照明领域已居于世界 前列。1.2 LED应用于照明的优势随着半导体照明技术不断发展，LED光源正逐步取代以卤素灯、白炽灯、荧 光灯、高压气体放电灯等为主的传统光源。LED光源与其他光源相比在以下方面 具有明显的优势2引：（1）安全环保。现在普遍使用的荧光灯、汞灯光源中含有对人体有害的汞，这 些光源在发光的过程中和废弃后不仅会危害人体健康，同时也会污染环境。而 LED无辐射，在使用时不会产生有害物质，并且废弃物可以回收利用，属于绿色 照明光源。（2）能耗低。LED属于直流驱动，具有极低的功耗。通常单颗LED光源的电 压在L5V4V之间，电流在20 mA70 mA之间。也就是说，LED消耗的电能 不高于0.1 W,在同等照明效果下，LED耗电量是白炽灯的八分之一，荧光灯管 的二分之一。（3）高效节能。由于LED的光谱几乎全部在可见光区域内，白炽灯和卤鸨灯 1LED二次配光透镜设计光效仅有1224 lm/w,荧光灯光效为5070 lm/w,钠灯光效为90140 lm/w,而LED的光效可达50200 lm/wo（4）寿命长。LED灯的体积小、重量轻，不易损坏。在现有的照明设备中，使 用寿命最长的仅有8000小时，而LED平均寿命长达10万小时，是传统光源寿 命的10倍以上。（5）响应时间短。LED灯的响应时间为纳秒级，可以按照要求在一个光源或者 多个光源的不同区域间进行切换，可在高频情况下使用。（6）LED色彩丰富。在控制系统的作用下，LED基于RGB三基色原理，具有 256级灰度，能组合出2563=167772 1 6种颜色。随着LED光源的光学效率、光通量等性能参数的提高，LED光源已经普遍 应用于景观照明、室内照明、道路照明等领域。但目前对LED灯具配光元器件 的设计主要停留在传统灯具的设计方法，由于结构设计的不合理，造成照明效果 不理想。因此，需要对LED光源进行二次配光设计，以提高光能利用率、光照 度等光学参数，使得LED光源具有更广的应用。故对此进行研究既具有理论价 值又具有实际价值。1.3 LED二次光学的设计方法1.3.1 LED二次光学透镜设计的研究现状为了更大程度利用LED芯片发出的光，并在照明区域内满足一定的设计要 求，需要对LED进行光学设计。LED的光学设计分为一次光学设计和二次光学 设计。LED的一次光学设计是从封装材料形状方面来提高LED的光学效率。LED的一次光学设计是将LED芯片发出的光能尽可能多取出，主要决定了 LED 的光束角、光通量、发光强度分布等。目前，很多厂家在进行LED一次光学设 计的研究，比如OSRAM、CREE、Philips日亚、天电、添鑫等。LED光源与传统光源在光通量上，还存在一些差距。因此，除了提高光源自 身的光效外，还需要对LED二次配光进行优化设计。LED的二次配光设计是在 一次光学设计基础上进行的，将LED发出的光线重新分配，使其照射到预定的 目标面上，达到照明系统的设计要求。目前，LED二次光学系统设计主要是对透 2江苏大学硕士学位论文镜、反光杯、微结构层（包括复眼透镜阵列和柱面透镜阵列）、遮光板等进行设计。二次光学设计需要借助几类计算机软件来完成巴51，这类光学软件具有超强的机 械仿真功能，几乎可以模拟所有的三维模型，设计者可以在开模或大批量生产前 对产品做光学系统的仿真，常用的光学仿真软件有Tr acePr o,Light Tools和 ASAP网。本文在第三、第四和第五章均运用光学软件Light Tools进行仿真。Light Tools可以快速、精确地进行光线追迹，并可以通过照度分布、光谱分布、亮度分布等对配光光效进行分析。LED的二次光学设计主要是对自由曲面面型进行设计，现阶段，主要有两种 设计方法，分别为试错法、数值法。（1）试错法试错法又被称为经验法，主要是根据设计者的经验进行设计。这种方法是根 据客户需求，首先在三维建模软件如SolidWor ks Pr oE或UG中绘制出光学元器 件（如透镜、反光杯、遮光板等）的初始结构，然后将这些结构导入光学照明设 计软件（如Light Tools、Tr acePr o或ASAP等）中，在对光学元器件进行位置、材料、表面光学参数等设置后，进行光线追迹，得出整个灯具在接收屏上的照度 分布和光强分布。经过多次的仿真、分析光学器件的结构，设计出满足设计要求 的产品。试错法设计自由曲面透镜的步骤如图L1所示。图1.1试错法设计自由曲面的流程F igl.l Tr ial and er r or met hod t o design fr ee sur face pr ocess3LED二次配光透镜设计(2)数值法LED的二次光学设计主要基于非成像光学理论，LED二次光学透镜的设计 重点是对自由曲面面型进行设计。早在上世纪30年代就有学者提出了非成像透 镜的设计方法，到目前通过试错法或解偏微分方程法得到自由曲面面型，自由曲 面透镜的设计方法已经日益完善o基于非成像光学理论的自由曲面指的是无法用 解析式来表达且没有统一的方程可以描述的曲面，可以对光能的分布进行重新分 配。目前数值法主要有剪裁法(Tailor ed)、多重表面同步设计法(SMS)、网格划 分法。数值法设计自由曲面透镜的流程如图L2所示。图1.2数值法进行二次光学设计的流程F ig.1.2 Numer ical met hod fbr t he second opt ical design pr ocess剪裁法是基于入射光矢量、出射光矢量以及自由曲面法矢量这三者之间的关 系，主要依据LED光源与接收屏上照度分布的限制条件构造出偏微分方程组，并求出自由曲面上一系列离散点，如图1.3所示。剪裁法早在1993年由R.Winst on 和H.Ries提出，通过建立非线性偏微分方程组得到反射镜的光学面型口叫同年，两人利用此方法计算负合椭球面(CEC)反射镜，将角度空间的能量分布控制起 来，并提出能量分布与透镜的尺寸密切相关皿。2002年，OEC公司的H.Rise和 J.MuschaweckD提出，可以通过建立微分方程求解法来构造自由曲面面型并成功 设计出了一款用于矩形光斑照明的自由曲面透镜。此后，越来越多的人用剪裁法 设计二次光学透镜。2008年，郝翔口3用剪裁法设计了适用于小角度光源的对称 二次光学透镜。2009年，中国计量学院的余桂英、金骥等人利用剪裁法设计了一 4江苏大学硕士学位论文款针对显微镜LED照明系统的反射器Ml,经过仿真其照度均匀性高达90.6%,光能利用率高达99.6%。2012年，德国的Axel等人利用剪裁法，基于点光源 设计了一款光学效率高、菲涅尔损耗低且照度均匀的透镜。2016年，郭震宁等人 口6进一步用该方法,利用自由曲面上的入射光矢量和反射光矢量构造出了自由曲 面面型，成功设计了一款适用于扩展光源，光能利用率为81%,均匀度为85%的 广告灯，实现了均匀照明的效果。图1.3剪裁法示意图F ig.1.3 Clipping met hod多重表面同步设计法即SMS(Simult aneous mult iple sur face)法，该方法是基 于费马定理和边缘光线理论，根据光学扩展量守恒建立光源与照明目标面上能量 的对应关系，同时可求解两个或两个以上的自由曲面。此方法均适用于点光源与 扩展光源的二次光学设计，早在1990年由LPL公司提出。2004年，P.Benit ez等 人口7依据LED光源与目标面上的光能分布特性，建立起两对输入波前和输出波 前的对应关系，并设计了具有两个自由曲面的光学系统。由于SMS法对于扩展 光源的均匀照明以及小角度出射都有很高的精度，因此国内很多研究人员用此方 法进行了成像和非成像光学镜头的设计。2011年，赵会富等人口8基于SMS法,采用RI XR结构,设计了一款小角度的LED准直透镜，其光学效率高达83.48%。浙江大学的吴仍茂等人的针对大功率LED,成功设计出定向控制投射器，其光 学效率高达91%。2012年，浙江大学的蒋水秀、孙翔等人mi通过对二维SMS法 和三维SMS法的研究，设计了一款出射角度较小的二次光学透镜，实现了非旋 转对称透镜结构均匀照明目标，照度均匀性高达94%,能量利用率为84.15%。程颖,在2013年，用SMS法分别设计了一款最大入射角40。的非成像光学透镜 和一款用于短距投影系统的成像透镜。网格划分法的设计思路是基于边缘光线理论和能量守恒定律，适用于点光源 的二次光学透镜设计。首先将LED芯片发出来的光能量分成很多个光通量相等 的单元，然后这些光能经过透镜后被重新分配到接收屏上，同时也将接受屏进行 5LED二次配光透镜设计划分,使光源与接收屏一一对应,再根据斯涅尔定律推导出自由曲面的微分方程,并在编程软件MATLAB中使用迭代法计算出二次光学透镜自由曲面上的一系列 离散点，最后将这些离散点拟合成一条光滑的自由曲线。早在1998年，W.Par kynm就提出了划分网格的方法。后来研究者将该方法用于自由曲面的设计。20H年，王恺23基于反馈优化法，提出了一套适用于扩展光源的自由曲面透镜 的设计方法，实现了大角度均匀照明，将目标区域内的照度均匀度由0.53提高 至0.90o 2016年，潘诗发等人M基于等能量的网格划分法和边缘光线理论，设 计了一款实现LED阵列近场均匀照明的大角度自由曲面透镜，并用反馈优化法 对其进行优化，最终优化出的透镜出光角度为157。，均匀度为0.84,出光效率大 于 0.9。1.3.2 LED变焦透镜国内外研究现状目前，国内外的研究人员对变焦透镜在成像系统方向研究比较成熟，而对非 成像光学系统研究却很少。市面上的照明透镜也主要以单一固定角度为主，但在 很多特殊场合，需要用可变光束角透镜来实现照明的要求，比如用于夜间监控系 统的红外照明设备，需要根据红外摄像机的变焦范围来改变视场角，使照射范围 覆盖整个监控区域。在商用舞台灯照明领域也需要用变焦透镜来实现光束角可变 的照明要求。根据大量的文献调研和市场调研发现，国内大多数照明公司设计的 LED透镜光束角一般固定在12。、24。或36。，不能实现光束角的连续变化，且光 学效率仅有65%。目前，实现LED变焦透镜的方式有多种，比较典型的是采用 整体菲涅尔透镜、整体凸透镜或者多片式透镜组的方式。2000年，上海理工大学 的吉建华、陈家璧等人也对菲涅耳透镜进行分析，提出通过改变透镜材料的折射 率来制作菲涅耳透镜的方法。整体菲涅尔透镜在变焦时，需要移动整个透镜或 LED光源，移动时的范围非常有限且不好控制。2008年，魏永刚、李贤阳采用 单颗凸透镜调焦结构，通过调节LED光源与凸透镜之间的距离来改变出射光线 的照射区域。单颗凸透镜在变焦时存在的问题是，LED光源发散角一般为180,单透镜不能高效收光，无法达到小角度照明的要求。为了解决单颗凸透镜和菲涅 尔透镜无法实现小角度照明的问题，出现了多片式透镜组变焦系统。2012年，李 小虎、刘华等人巾请了双透镜有级变焦手电筒2%该手电筒由固定透镜、移动透 6江苏大学硕士学位论文镜、调焦盖组成，通过改变移动透镜与LED光源之间的距离调节出射光线的照 射区域和亮度，达到变焦的目的。虽然多片式透镜组可以解决小角度照明的问题，但依然存在以下问题:首先，多透镜组无法收集利用大角度光束,造成光能浪费；其次，整个变焦系统的透镜数量多于单颗透镜，导致灯具体积较大且笨重，影响 灯具的正常操作。近几年一些研究者采用特殊透镜结构进行变焦透镜设计，增大 了变焦透镜系统的光束角范围。王红印、张军等人在20H年设计了一款用于舞 台灯的变焦透镜系统PL该变焦系统基于LED阵列光源，调焦距离在0mm10 mm的范围内，全角可达到18.5。38.7。，且光能利用率高达78%。2012年，刘 华等人叫申请并公开了一种可实现连续变焦的新型LED透镜及方法，该发明专 利采用单颗全反射式透镜结构，在调焦距离在0 mm1.5 mm范围内，可实现 8。20。的连续变焦。同年，深圳市朗恒电子有限公司申请了一款可同时实现聚光 效果和泛光效果的变焦手电筒的专利，该手电筒由非球面和菲涅尔透镜结合而成,通过菲涅尔透镜对边缘光线进行散化，从而避免了成像现象。1.4本课题的研究意义和主要内容1.4.1 研究意义LED光源以其体积小、重量轻、寿命长、耗能低等优势备受世界各国的广泛 关注，LED光源替代传统光源已经是大势所趋。由于LED的发光分布不同于传 统光源，往往要根据实际需求，对LED进行二次配光设计，才能在确保光能利 用率的基础上，进一步实现照明系统的小型化。因此，展开针对LED光源二次 配光设计的研究不仅具有科研价值还具有实际意义。目前二次光学透镜主要以单一固定角度为主，在实际照明环境应用中，已安 装好的灯具仅能实现单一光束角的照明需求。变焦透镜的结构过于单一，主要有 多片式透镜组和单颗菲涅尔透镜，这些结构的变焦透镜可调光束角的范围比较小,且在用于大尺寸和RGBW光源的舞台灯照明时，容易出现混光差，照度不均匀 的情况。因此，展开针对大尺寸和RGBW全彩LED光源的变焦透镜的研究具有 实用价值和研究意义。洗墙灯不仅用于建筑装饰照明，还用于勾勒大型建筑的轮廓。一般以对称的 TI R结构居多，这种结构的透镜在洗墙时光斑容易出现黄斑和分层现象，照射距 7LED二次配光透镜设计离短，均匀度低，光学利用率低（效率仅有40%50%）是目前洗墙灯具厂所面 临的最大困难。因此，展开针对LED洗墙灯透镜的研究同样具有实际价值和研 究意义。1.4.2 主要研究内容本课题主要针对目前常用的LED二次光学透镜照明光学系统存在的变焦范 围小、光斑不均匀、混光差、光能利用率低、操作不方便的缺点，研究了对应的 新型LED变焦透镜系统和洗墙灯透镜。各章节的主要内容如下：第一章为论文的绪论部分。简要介绍LED光源区别于其他光源的独特优势；概述目前国内外LED二次光学透镜自由曲面面型设计方法的发展；分析LED变 焦透镜设计现状及存在的问题，引出本课题的主要研究内容和意义。第二章为LED变焦透镜设计的理论基础。重点介绍非成像光学的光度学参 数以及它们之间的相互关系。阐述了非成像光学的重要概念及基本理论，包括边 缘光线原理、斯涅尔定律和光学扩展量。最后对LED变焦透镜的结构和原理进 行研究，介绍了 LED舞台灯的主要参数，阐述了三种LED舞台灯变焦透镜的变 焦原理并对其进行分析。第三章针对大尺寸LED光源设计了两款变焦透镜系统，包括变焦透镜组的 舞台灯透镜和TI R与凸透镜结合的手电筒变焦透镜。针对变焦透镜组，基于点光 源，提出了一种几何解法设计变焦透镜的方法，匹配XPE光源后，对整个光学 变焦系统进行了验证。针对手电筒变焦透镜，运用试错法进行设计，并对其射程 进行测量，在实验室和户外分别对聚光和泛光状态进行测试。第四章针对RGBW全彩LED光源设计了一款舞台灯变焦透镜。通过对比分 析第三章中变焦透镜的结构，提出了一种由TI R透镜和调焦片组合的新型变焦 透镜结构，首先采用几何解法设计了 TI R准直透镜，并根据光学扩展量和本人几 年的设计经验，提出了两种准直透镜的验证方法。通过分析普通复眼透镜结构,提出在上述准直TI R透镜的出光面添加不规则的六边形复眼透镜阵列结构，实 现光束角可调且混光均匀的舞台灯透镜。第五章针对贴片LED光源设计了一款洗墙灯透镜。基于洗墙灯的照明方式,在常见的TI R透镜基础上，提出了一种非对称TI R洗墙灯透镜结构，并利用光 8江苏大学硕士学位论文学软件Light Tools及几种匀光结构解决洗墙过程中，光斑出现黄斑、分层及洗墙 高度低的难题，最后对实际产品的洗墙效果进行了验证。第六章，对全文的研究工作进行总结，并对未来研究方向做出展望。9LED二次配光透镜设计2 LED二次配光透镜设计的理论基础2.1光度学基本理论二次光学设计的最终结果取决于人眼对目标面的判断，我们可以用LED光 源的光通量、发光强度、光照度、光亮度、发光效率等一些光度学参数来反映可 见光的特性。光度学理论的基本参数如下：(1)光通量(0)：在单位时间内，LED发出且被人眼接收到的能量，用于描述 LED总发光能量大小的物理量。光通量的单位是流明(1m)。通常照明公司使用远方测试仪器和积分球对LED的总光通量进行测量，如图2.1所示为GO-2000 远方测试仪器。图2.1远方分布式光度计F ig.2.1 Remot e dist r ibut ed phot omet er(2)发光强度(I)：发光强度又称光强，指LED在指定方向上单位立体角内的光 通量，其单位为坎德拉(cd)。表达式为：式中，d0为光照射到接收屏上微小面积上的光通量，dC是立体角微元。发光强度分布曲线又称配光曲线。实际二次光学设计中，在远方测试仪器最 终测试生成的报告中可以读出透镜的光束角。光束角是指发光强度两个方向间的 夹角。通常我们将峰值光强的一半称为半角，将峰值光强的1/10称为全角。通 过调节自由曲面可以得到需要的光束角。LED光源呈朗伯分布，法向方向光强最大，越偏离法向方向光强越小。朗伯 光源配光曲线如图2.2所示，其光强分布呈余弦分布，可以表式成：1(0)=10-cos 6(2010江苏大学硕士学位论文其中，I o为LED出光面轴线方向上的光强，0为光源出射方向与轴线之间的夹 角。图2.2朗伯光源的光强分布曲线F ig.2.2 Light int ensit y dist r ibut ion cur ve of Lamber t ian light sour ce（3）光照度（E）：LED光源发出的光经过照明系统后，照射到接受屏上，接收屏 上单位面积内收到的光通量多少即为光照度。通俗的说，照度大小反映了目标面 上接收到光能的多少。光照度是照明系统设计中最重要的指标之一，单位是勒克 斯（1X或lux）,可以反映目标而被照射的亮暗程度。表达式为：E=黑（2-3）aS其中，dS为目标面上的微小面积。不同的场所，对照度的要求也不同。通常情况下，白天采光良好时室内的照 度为lOOlx5001X；正午太阳垂直照射地面的照度可达105 ix；办公室内的平均 照度一般为500 lx1000 lx；商业照明中，垂直的平均照度为300 lx500 lx。在实际二次光学设计中都需要在接受屏上实现特定的照度分布。光斑的照度 均匀度是评价二次光学设计好坏的重要参数之一。可以用照度计直接测量，本论 文使用的照度计型号为TES 1332A（台湾泰仕制造），如图2.3所示。图2.3照度计F ig.2.3 I lluminomet er11LED二次配光透镜设计(4)光亮度(B)：光亮度可以理解为人眼看到光源或光学表面的明亮度，是在指 定方向上，发光表面的发光强度与其垂直的发光面面积的比值。其单位为坎德拉/平方米(cd/n?)或尼特(nit)。表达式为：B=.-(2-4)cos9 dS dQ其中，cose-ds是单位面元在观察方向上的投影。由于表面发光或者反光是有 方向性的，亮度会随着方向不同而有所改变。(5)LED发光效率(11)：定义为LED光源发出的光通量与其所消耗电功率之比。发光效率与LED输出的光通量紧密相关，如何提高LED光效一直是设计人员研 究的重点。发光效率单位为流明/瓦(lm/W)o公式为：=I(2-5)其中，P为LED光源的电功率。(6)照度均匀度(U)与光效5)：照度均匀度的表示方法有很多种，我们一般用 接收屏上所接收到的最小照度与平均照度的比值来表示，表达式为：u=Emin/E(2-6)其中，小比为最小照度，百为平均照度。不同的应用场所，对均匀度的要求也会 不同，当照度均匀度趋于1时，可认为等照度。光效5):我们将光效定义为接收屏上所接收到的光通量与LED所发出光通量 的比值，表达式为：=0r/0s(2-7)其中，0r为接收屏上所接收到的光通量，0s为LED所发出的总光通量。2.2非成像光学设计的基本理论成像光学(I maging Opt ics)，是一门将成像质量作为目标而发展起来的学科，其主要研究内容是如何在接收屏上获得足够好的物像2叫与成像光学相比，非成 像光学(NonimagingOpt ics)是在光源与接收屏之间找到一种经过光学元器件优 化的光线传播路径。边缘光线原理WB、斯涅尔定律以及光学扩展量(Et endue)网都是非成像光学中的重要理论。12江苏大学硕士学位论文2.2.1 边缘光线原理边缘光线原理在数学上有严格的证明，是非成像光学中一个非常重要理论,为确定LED光源与接受屏的坐标对应关系奠定了基础。边缘光线原理可以描述 为:在LED出射的光线中处于边界上的那些光线，经过光学系统后，同样会照射 到接收屏的边界上。通俗的说，如果LED光源上边界区域的光线经过整个光学 系统之后照射到接收屏上的边界区域，那么LED所有内部光线都能完全通过该 光学系统，如图2.4所示。在实际的二次光学设计中，光源多为扩展光源，可通过边缘光线原理调节光 的能量分布。通常，中心光线控制着接受屏上光斑的光照度或者光强的最大值和 位置，边缘光线调节光斑的边缘部分并削弱中心光斑的光照度或光强，提高整体 光斑的均匀度。边缘光线设计原理比较简单，便于理解与应用，我们将用此原理 设计的透镜称为复合抛物面型。本文第三章变焦透镜组和第四章的TI R准直透 镜就是基于非成像边缘光线原理设计的。图2.4边缘光线原理F ig.2.4 Pr inciple of edge light2.2.2 斯涅尔定律斯涅尔(Snell)定律也称为折射定律。当光线经过两个不同介质的交界面时，光线就会改变原来的传播方向。在折射率为%的介质中，入射光线?经过光学系 统沿着5方向射入折射率为电的介质中，光路示意图如图2.5所示。%和多分别 为光线的入射角和折射角。根据斯涅尔定律，则有：sin%=n2 sin 02(2-8)13LED二次配光透镜设计图2.5折射光路示意图F ig.2.5 Schemat ic diagr am of r efr act ion light pat h在非成像光学中，通常采用折射定律矢量形式建立透镜的自由曲面面型方程,表达式如下：n20 nj=NJn/+n22 2n1n2O 7(2-9)2.2.3光学扩展量光学扩展量是光学系统中一个光的属性，不仅用来评价光学元器件对整个光 学系统光能利用率的影响，还用于描述光束本身卬。光学扩展量是非成像光学理论的核心概念，反映光线在整个光学系统中的传 播规律，理想情况下，此光学系统必须是无损耗的，即没有折射、发射、散射等 造成的能量损耗。如图2.6所示，若一光束在常数Z平面上的截面微元是dA,且 具有一定的角度范围dad.,当该光束通过无损耗的光学系统时，该面法线上的 投影dAcos6与该面所围立体角dQ的乘积即为光学扩展量，其单位是sr-m2,可 表示为：n2dAdad/3=n2dA cos 0 dfl式中，几为透镜材料的折射率，上式可以用积分形式表示成：J rdAdadp=J n2dA cos 9 dii我们就将这三个量称为光学扩展量，其表达式为：Et endue=J n2dA cosddil=dAdpdq式中，p=nL,q=nM,L、M分别为微面元上光线的余弦值。(2-10)(2-11)(2-12)14江苏大学硕士学位论文图2.6光学扩展量的空间图F ig.2.6 Spat ial map of opt ical expansion光学扩展量实际上是一个几何量，与光能大小以及光强分布等无关。在理想 状态