基于同步多曲面的LED定向照明设计图文精.docx

1、基于同步多曲面的LED定向照明设计图文精第35卷第4期 2009年7月 光学技术OPTICAL TECHNIQUEVd.35No.4 July 2009文章编号:1002.1582(200904.0561.05一种基于同步多曲面方法的LED定向照明设计 吴仍茂,屠大维,黄志华,赵其杰(上海大学机电工程与自动化学院,上海200072摘要:提出了一种对大功率LED出射光实现定向控制的投射器设计方法。根据LED的出射光分布以及预定的 光分布范围选用折射一全反射(TIR光学系统。首先利用光学扩展量守恒以及同步多曲面方法求得TIR各折射面和全 反射面轮廓曲线上点的坐标,然后再在UG中对坐标点进行曲线拟合

2、得到轮廓曲线,进而得到TIR模型及适合数控加工 的面形数据。结果表明:用该种方法设计的投射系统结构紧凑、光能传输效率高;能有效地实现对LED出射光的收集和 定向控制;有助于LED的应用和照明系统的后续设计。关键词:应用光学;投射器;同步多曲面;LED照明中图分类号:TN312+.8文献标识码:ADesign 0f LED directional illumination based on simultaneous multiple surface WU Reng-mao,TU Da.wei,HUANG Zhi.hua,ZHAO Qi.j ie(College of Mechatronics E

3、ngineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,ChinaAbstract:A method 0f designing directional illumination for high power LED is p旧p。sed.An optical system with Total Internal Reflection(TIRis eh06en,according to light distribution of the Sotlree and the desired light distribution of(

4、孤nergentrays.Points on profile CalVes of tlKrefracting and internal reflecting surfaces are obtained with the extended conservation law and the simultaneous multiple surface method.Profile curves are obtained by curve fitting with these points in UG,and then modd of the projector and data of the吼lrf

5、ace profiles for NC manufacture are obtained.The results show that.with this method。the projection system is compact and efficient,and it ear collect and directionaUy control the light of LED efficiendy. 毗kind of projector is benefit forapplication of LED and optical design of illumination system.Ke

6、y words:applied optics;projector;simultaneous multiple surface;LED illumination1引 言发光二极管(Light emitting diode,LED是21世纪非常具有竞争力的新型固体光源,具有效率高、 光色纯、寿命长、可靠耐用、调整灵活、结构紧凑、工. 作电压低等优点1。随着LED技术的不断完善,以 LED为光源的照明系统不断增多,如LED投影仪、 LED射灯和LED手电等。采用LED作为光源既可 减小照明系统的体积,又可延长照明系统的寿命。 然而由于LED出射光范围大,单位光学扩展量所具 有的光能与传统光源相比较低

7、,直接采用LED照明 在大多数情况下难以满足照明灯具和器件所需要达 到的性能指标,因此对以LED为光源的照明系统进 行二次光学设计是十分必要的2。照明系统一般分为反射型、折射型、全内反射 (Total internal reflection,TIR和复合型【3J3。LED 出射光范围大,反射型或折射型照明系统很难有效 地调整LED的全部出射光,而复合型照明系统往往 不紧凑。TIR利用折射和全内反射,可以有效地收 集和调整LED大范围的出射光,并保证照明系统紧 凑【4I。本文首先根据同步多曲面方法及光学扩展 量守恒定律设计了一种能有效收集和调整LED出 光的定向投射器;然后通过一个具体的实例,对

8、该种 投射器的结构及光学特性进行分析和研究。丙 2光学扩展量光学扩展量描述了光学系统传输光能的能力,光束的光学扩展量等于光束在其角度和位置区域内的积乃 图1通过光程计算光学扩展量分5l。在三维坐标z等于常数的平面内,光束的光收稿日期:200810.13;收到修改稿日期:2008.1215E-mail:xiaofengmso126.eom;tdwshustaff.shu.edu.ca基金项目:国家自然科学基金资助项目(60774102;上海市重点优势学科资助课题(YUl02作者简介:吴仍茂(1984.,男,江西省人,上海大学机电工程与自动化学院硕士研究生,主要从事LED照明系统的研究。导师简介:

9、屠大维(1965一,男,上海大学机电工程与自动化学院教授,博士,主要从事光电检测及图像处理、光机电一体化智能机械及系 统的研究。561万方数据光学技术第35卷学扩展量可表示成广E=Idpdqdxdy (1式中P=nL,q=nM,其中咒为光束所在介质的 折射率,L和M为光线的方向余弦。图1中,从光源S1S2出射并入射到目标TlT2上的光学扩展量为e=2(S1疋一S1丁1 (2 式中S1T2和S1T1表示光程。对应三维下的光学 扩展量为E=-旷E(S1T2一S1T12(3 光束经理想光学系统作用后,其光学扩展量不 变,系统所接收的光束将全部传输至目标面6】。 3同步多曲面方法一般情况下,对于给定的

10、两组光束来说,存在两 个曲面,使入射光束经偏折后成对应的出射光 束【_7|。在二维下,可利用同步多曲面方法求解由这 两个曲面对应的轮廓曲线。所谓同步多曲面方 法旧J,是指所有待求曲面的求解过程是同步进行 的,其中一个待求曲面的求解结束意味着其余待求 曲面的求解结束。同步多曲面方法通过逐点求解的 方式求解轮廓曲线的点,其中一条轮廓曲线上的一 点可以通过另一条轮廓曲线上的已求点求得,如此 反复便可同时求得两条轮廓曲线。个新曹意娶要竺;享兰翟轴一=乏三芸 个折射曲面实仃 :嘶 现对光源出射光的定向控制为例来阐述同步多曲面方法,如图2所示。曲线AB和曲线CD分别为曲面AB和曲面CD的轮廓曲线,介质,z

11、和介质咒,为两种不同的D介质。点S1和 图2同步多曲面方法原理点S2为光源S1S2的两个边缘点,由点S1和点S2出射的光束经曲线AB和曲线CD折射后分别对应 波前w1和波前w2。已知其中一条曲线上的一点和 曲线在该点的法线(如点Po和曲线AB在点Po处的 法线,以及点Sl(点S2到波前Wl(波前W2的光 程Z。边缘光线S1Po经曲线AB折射后,折射光线为 562 PoPl,根据已知条件可求得点P】及曲线CD在点 P1的法线。边缘光线S2P2经曲线AB折射后,折射 光线为P2P1,根据已求点P1、曲线CD在点P1的法 线以及光程可求得点P2及曲线AB在点P2的法线。 如此反复,便可同时求得曲线A

12、B和曲线CD的点, 然后拟合已求点可得曲线AB和曲线CD。在利用同步多曲面方法求解轮廓曲线时,应考 虑光源的所有边缘光线,并要求轮廓曲线上除端点 之外的每个点仅有两条边缘光线通过。图2中,光 线1和光线2分别对应边缘光线S2P2和边缘光线 S1Po。根据边缘光线原理,位于边缘光线S1Po和边 缘光线S2P2之间的所有光源的出射光,经曲线AB 和曲线CD折射后将分布于光线1和光线2之间。 因此,利用同步多曲面方法设计的光学系统能有效 收集和调整扩展光源的出射光。4照明系统设计本文旨在设计一种定向投射器,该种投射器能 有效收集大功率LED的出射光,并使收集的LED 出射光经投射器作用后分布在光轴两

13、侧预定的光分 布范围内。图3为投射器示意图。为方便设计加工,曲面 EC取为圆锥面,轮廓曲线EC斜率的选取应保证经 曲面FM和曲面NQ全反射后的光线在曲面EC上 不产生全反射。使曲面AB和曲面CD实现对光源小 角度内出光的收集和调整,使曲面AT、曲面FM、曲 面TV及曲面NQ实现对光源大角度内出光的收集 和调整。一_y 一一一一弋百一 一、彳D / IN/.Q 矿l 5I S2。 图3投射器不意图已知光源出光的光学扩展量为E,根据光学扩 展量守恒定律及式(1可得E=4Ssin20(4 式中:汐为预定的光分布角度,即所要求的经投射器 作用后的出射光与光轴的最大夹角,如图3所示;S 为投射器出光口处

14、波前分别为w1和W2的所有光 线组(如图中的光线3和光线4、光线5和光线6万方数据第4期 吴仍茂,等:一种基于同步多曲面方法的LED定向照明设计等的交点在垂直于光轴的平面内形成的投影面积。 由上式可求得该投影面积为S=蕊E4而 (5 sln由式5和图3可知,角度日决定投影面积S,进而决 定投射器的出光口半径。该投射器的设计方法:首先根据大功率LED的 出光分布及预定的光分布角度口,结合光学扩展量 守恒定律及边缘光线原理,利用同步多曲面方法求 解AB、CD、AT、FM、TV及NQ上的点;然后拟合 已求点得到相应的曲线。4.1折射面到折射面的设计入射到曲面AB上的从光源小角度内的出光,经曲面AB和

15、曲面CD折射后成满足预定角度范围的光分布,曲面AB和曲面CD的设计过程如图4所示。初始条件是起始点P0、点P1的纵 图4折射面到折射面的设计 坐标、波前wl和波前w2。考虑到投射器的紧凑,在选取点Po时应参考 光源的外形尺寸。根据点P0,由式(2可求得二维 下由芯片出射入射到曲线AB的光束的光学扩展量 e=2(S2PoS1Po (6 根据光学扩展量守恒定律以及预定的光分布角度 臼,可求得由曲线CD对应的出光口半径S2PoSiPo ,-th r 2舜n口 。 V, v为实现对所有入射到曲线AB上的光束的有效 收集和调整,要求边缘光线S2Po经曲线AB折射后 入射到曲线CD上的点P1再经曲线CD折

16、射成波前 为wl的出射光;边缘光线S1Po经曲线AB折射后 人射到曲线CD上的点P3再经曲线CD折射成波前 为w1的出射光;边缘光线S2P2经曲线AB折射后 入射到曲线CD上的点P1再经曲线CD折射成波前 为%的出射光。由上述要求可知,曲线段P1P3及曲线段PoP2均为笛卡尔卵圆。根据费马原理和折射定律可求得 曲线段P1P3和曲线段PoP2上的点,以及曲线在各 已求点处的法线。利用点P3可求得边缘点S1到波前w1的光程 Z。之后,利用同步多曲面方法求解曲线CD和曲线 AB除笛卡儿卵圆之外的部分。在求得曲线AB及曲 线CD位于光轴左侧的点后,由对称性可得已求点 关于光轴的对称点。分别拟合曲线AB

17、及曲线CD上 的已求点,可得曲线AB及曲线CD。4.2折射面一全反射面设计在该投射器内有两组曲面对在光源大角度内的 出射光进行收集和调整,第一组为曲面AT和曲面 FM,第二组为曲面丁y和曲面NQ。先求解第一组曲面。初始条件是点R。和点 R1。点R】的确定如图5所示。光线SlRo经折射后 入射到点R 1,然后经全反射和线段EC折射成光线 8。与光线8对应的是光线7,光线7和光线8的延长 线相交于点G】。光线S1F1首先经全反射后入射到 线段EC的端点C,然后经线段EC折射成光线10。 与光线10对应的是光线9,光线9和光线10的延长 线相交于点G,。图5点R1的确定根据光学扩展量守恒定律,可求得

18、从曲面EC 出射的所有光线组的交点在垂直于光轴的平面内形 成的投影面积:S1=S一兀r2(8 为使所有经曲面FM和曲面NQ全反射后的光 线均能从曲面EC出射,要求7c(z一ziSl (9 式中z1和z2分别为点G1和点G2的横坐标。在选 取点R1时,除了其横坐标满足上式外,该点应位于 直线EC的下方,且使曲线AT在点Ro处的法线与 .27轴正向的夹角较大(一般在3rad左右。该夹角越 大,曲线A丁下降的趋势越大,曲线AT在z轴上的 投影长度越短,投射器越紧凑。在确定点R1并求得 曲线AT在点Ro处的法线后,可进行曲面AT和曲 面FM的求解,求解过程如图6所示。为实现对所有入射到曲线AT的光束的

19、有效收 563万方数据光学技术 第35卷集和调整,在曲线AT和曲线FM的起始端应分别 有笛卡尔卵圆曲线段R1R3和曲线段RoR2。曲线段 尺1R3和曲线段RoR2的求解过程分别与图3中的 曲线段P1P3和曲线段PoP2的求解过程相同。图6折射面一全反射面设计之后可利用同步多曲面方法和线性扩展法求解 曲线FM和曲线AT除笛卡儿卵圆之外的部分。所 谓线性扩展法,是指在求解曲线上某一点时,把该点 的入射光线与曲线在上一点处的切线的交点定义为 该点【9|。如在确定点R5时,把直线R2R5与曲线 FM在点R3处的切线的交点视为点R5。考虑到投射器的紧凑,在求解曲线AT时,要求 曲线AT在所有已求点处的法

20、线与z轴正向的夹角 口较大(一般口1.9rad。在曲线A丁上当已求点 R,。处的口1.9tad,而在下一点处的口Ss一SFM (10 式中:z3和z4分别为点G3和点G4的横坐标;S09为从曲面CD出射,由波前分别为w1和w2的所有 光线组的交点在垂直于光轴的平面内形成的投影面 积;SrTw为经曲面FM全反射后,由经曲面EC折射 成的波前为w1和:的所有光线组的交点在垂直 于光轴平面内形成的投影面积。在选取点H,时,要 求点H1的横坐标满足上式且大于点M的横坐标 (便于加工时开模;点H,应位于曲线FM的下方; 564曲线TV在点Ho处的法线与z轴正向的夹角较大 (一般在3rad左右。在确定点H

21、l并求得曲线T、,在 点H0处的法线之后,可进行曲面TV和曲面NQ的 求解。图7点Hl的确定曲线和曲线NQ的求解过程分别与曲面 AT和曲面FM的求解过程相同。在求解曲线TV 时,由于曲线在点H0处的法线与z轴正向的夹 角较大,而点H0的纵坐标往往很小,因此在曲线 TV的法线与X轴正向的夹角小于1.9rad之前,曲 线TV和曲线NQ的求解便可完成。之后,分别拟合 曲线NQ和曲线T、,上的已求点,得到曲线NQ和 曲线。为方便加工,用线段连接点E和点F,点E的横 坐标应大于点F的横坐标;用线段连接点M和点 N。然后旋转投射器的轮廓曲线,得到投射器三维模 型,至此投射器设计完成。5设计实例与模拟分析采

22、用11删112的LED芯片作为光源,投射器 所用材料选用有机玻璃(PMMA。要求LED芯片 的所有出射光经投射器作用后分布在光轴两侧2。 的范围内。与芯片相对的内折射曲面轮廓曲线的端 点取为(一4,6。根据上述分析,将计算所得的各轮廓曲线上的点导人UG进行曲线拟合,然后将拟合生成的轮廓曲线绕光轴旋转得到投射器的三维模 图8投射器截面 型。图8是该投射器的截面外形尺寸,透射器出光 口直径为31.5mm,高度为20.2mm。再将投射器的 三维模型导入Tracepro,并对LED出射光进行光线 追迹。图9为系统的光线追迹图,I类为LED出射 光经投射器作用后分布在预定的光分布范围内的光万方数据第4期

23、 吴仍茂,等:一种基于同步多曲面方法的LED定向照明设计束,类为LED出射光经各折射面菲涅尔反射形成的光束。图10为距投射器顶部50mm处目标平面的照度分布图。模拟分析结果表明:(1系统结构十分紧凑。(2系统的效率大于图9系统光线追迹图 91%,光能损失主要是由各图10目标平面照度分布图折射面的菲涅尔反射以及投射器所用材料对光能的 吸收引起的。(3投射器有效地实现了对LED全部出射光的 收集和定向控制。6结论本文提出了一种实现对大功率LED出射光有 效收集和定向控制的投射器设计方法。根据LED 的出射光分布、预定的光分布范围及光学扩展量守 恒定律,利用同步多曲面方法求得各折射面和全反 射面轮廓

24、曲线上的点。在UG中首先对已求点进行 曲线拟合,并通过旋转拟合曲线得到投射器模型以 及适合数控加工的面形数据,然后再将该模型导入 Tracepro光学设计专用软件。对u、D出射光进行 光线追迹,并对系统的效率进行了分析研究。用该 种方法设计的定向投射器结构紧凑、光能传输效率 高,能有效收集和定向控制UD的全部出射光。 参考文献:1屠大维,吴仍茂,杨恒亮,等.LED封装光学结构对光强分布 的影响J.光学精密工程.2008,16(5:832-838.2杨毅,钱可元,罗毅.一种新型的基于非成像光学的LED均匀 照明系统J.光学技术,2007,33(1:11卜115.3Dr Karsten Eiehh

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