直下式LED平板灯的均匀照明设计

针对超薄LED 平板灯导光板价格昂贵以及传统直下 式LED 平板灯厚度厚和LED 数量多等 问题,设 计了新型直下式LED 平板灯。基于边缘光线理论,对光源和目标面进行网格划分并形成映射 关系,由Snell 公式推导出内外自由曲面的微分方程,采用迭代法计算出内外自由曲面数据,设计实现适用 于直下式LED 平板灯的大角度二次光学透镜。研究表明:双自由曲面大角度透镜可实现对LED 150°的大角度配光,其照 度均匀度为0.86,且能量利用率为99.5%。在 不同厚度下,利用大角度二次光学透镜的LED单元阵列距高 比(D/H)约等于3时,目标面上的照度均匀度均达到0.88以上。通过对新型直下式LED平板灯照明效果 进行模拟,结果完全满足国家建筑照明设计标准,且LED的使用数量为相同功率下传统直下 式LED平板灯的30%,减小了20mm的厚度,大 大降低了LED平板灯的生产成本。     

实现大范围均匀照明的LED透镜二次光学设计

提出了一种新的、利于实施计算的实现大范围均匀照明的LED灯具透镜设计方法。基于能量守恒定理和光线折射Snell定理,通过Matlab编程计算出自由曲面透镜坐标点。借助CAD软件和光学模拟软件Tracepro,模拟了自由曲面透镜的具体应用,在光源高为3m,接收面直径为10m的圆形照明区域,得到了均匀度达80%以上的照度分布,该设计可以应用在商场、工厂等室内照明灯具上。     

自由曲面LED汽车前照灯光学透镜设计方法

由于LED配光特性不同于传统光源,为了将LED 应用于汽车照明中需对LED 进行二次光学设计。文中根据LED 汽车前照灯的配光特性,提出了一种自由曲面LED 汽车前照灯光学透镜的设计方法。首先由能量守恒原理,在接收屏上的坐标和透镜自由曲面上的坐标之间建立能量的一一对应关系,基于非成像光学理论,采用照度优化设计法,运用数值计算求解出光学透镜曲面各个点坐标的坐标值,并使用三维模型软件制作出透镜光学模型。通过蒙特卡洛模拟法来追迹光线仿真,最后的配光效果完全满足《汽车用LED前照灯》（GB25991-2010）标准,系统的光学效率得到显著提高,可达到91%。     

一种用LED光源的准直系统设计

基于能量守恒定理和光线折射Snell定律,通过Matlab数值计算软件计算出自由曲面离散坐标点;借助PROE三维机械设计软件和Tracepro光学仿真软件,模拟了自由曲面透镜的具体应用,在投射距离为20m的情况下,实现了在接受面半径为0.65m的圆形照明区域内均匀性达92％以上的照度分布,并讨论了在不同投射距离下的照度均匀性分布与能量利用率情况.该设计可用在手电、港口或码头用信号投射灯等需要准直光束的场所.     

LED道路照明中实现任意照度分布的自由曲面光学设计

提出了一种新型的LED道路照明中实现任意照度分布的自由光学曲面设计方法。旨在实现单盏路灯在路面长度和宽度方向上的照度分布均呈特定分布,以满足道路照明对路面照度、亮度均匀性以及环境比的要求。采用分离变量与最小能量块迭代结合的方法对光源以及接收面进行网格划分,保证光源和接收面的对应单元内具有相同的能量大小。最后根据边缘光线理论、斯涅耳定律以及误差控制方法构建透镜表面。同时考虑路灯安放位置以及倾斜角的问题,透镜对应路面宽度方向上非对称。以给定路面长度方向照度呈余弦分布、宽度方向照度呈梯形分布为例,采用此种方法设计出聚碳酸酯非连续自由曲面路灯透镜。结果表明,路面长度方向上照度接近余弦分布,误差小于6%,路面总照度均匀度达到0.93,道路环境比达0.55。     

大尺寸直下式LED液晶电视背光模组设计原理

随着人们对图像的质量、尺寸、临场效果的要求提升,大尺寸的LED液晶电视越来越多的成为消费者首选。要使液晶屏能正确显示图像,电视背光模组的设计是关键。综合性能和成本,直下式电视越来越多的成为设计者在大尺寸电视的首选设计。设计者必须在设计之初,合理选择灯珠、设计匹配的透镜加上适当的光学器件组成直下式背光源,将LED这种点光源转化成均匀的面光源,同时保证必要的光能利用率和均匀性。     

用于LED的微透镜阵列的光学性能研究

功率发光二极管(LED)的发展迫切需要提高取光效率,微透镜阵列的二次光学设计是改善其光强分布的有效途径.建立了一种大功率LED的封装结构,二次光学设计采用了微透镜阵列技术,运用光线追踪法研究了这种封装结构的光学性能.分析结果表明,利用微透镜阵列技术能显著改善LED的光学性能,改变其光束分布,将LED的照度衰减降低12%以上,从而得到更加均匀的照明系统.     

实现台灯照明高均匀性的LED配光设计与仿真

针对台灯照明的高均匀性要求,设计一个自由曲面透镜对LED光源进行二次光学配光。根据非成像光学理论,在已知入射光强分布与所需配光效果的前提下,建立关于透镜自由曲面面型的偏微分方程,并采用相应的数值解法,得到自由曲面面型数据。通过在建模软件Rhinoceros中建立光学透镜的模型,并在Tracepro中进行光学仿真,得出仿真结果,验证此设计方法的可行性。     

一种新型LED模块COB封装结构设计

根据目前市场上LED模块COB的封装结构特点以及相关研究结果,提出了一种新型COB自由曲面透镜封装结构方案。通过封装由特殊计算得到的自由曲面透镜阵列,不仅避免由于出光界面的全反射的发生,还能实现特定的光学分布。根据光源辐射特性以及器件的出射光学分布,利用能量守恒定律以及Snell方程建立方程组,运用龙格-库塔法求解得到自由曲面数据。采用Tracepro软件对所设计的结构进行仿真,模拟结果表明,器件实现特定的光学分布,同时结构的出光效率高于90%。     

Scheme语言的LED自由曲面透镜快速建模方法

传统的自由曲面透镜建模通常需要多个软件共同协作完成,其建模过程繁琐,且由于不同软件之间的不兼容会导致模型在导入光学仿真软件时出现微小形变。提出一种在光学仿真软件中利用Scheme语言直接进行快速建模的LED自由曲面透镜建模方法。根据光源辐射特性和需要实现的照明面上的能量分布,采用划分网格法,利用Snell方程和能量守恒定律, 沿经纬方向分别迭代求解, 在得到自由曲面各节点坐标后,分别采用3D建模软件和Scheme语言编程构建透镜模型。通过光学仿真软件,模拟计算了100万条光线,直径1mm的光源在距离地面10 m、面积为40 m10 m的照明区域内的照度分布。结果表明:利用Scheme语言在光学仿真软件中直接快速建模避免了模型从3D软件导入光学仿真软件时产生的微小形变从而使光照均匀度由67%提升到93.5%。同时Scheme语言编程建模仅需5 s,建模速度远高于3D建模软件。     

Freeform optical element for uniform illumination

The energy from a source was rearranged through reflection or refraction by a freeform optical element in order to get the desired uniform illumination.The numerical results of first-order partial differential equation sets had been investigated to obtain the freeform optical element, and the equations could be used to get the characteristics of the light source and the desired illumination. For example, a light emitting diode (LED) with a Lambertian light emitting surface of 1 mm × 1 mm was applied as the light source. Two kinds of freeform reflectors and one freeform lens were designed for different illuminations, and the simulated uniformity was near to 90%. Considering the size of these freeform optical elements, the illumination system can be very compact and efficient if the freeform optical element is applied in the illumination system of projectors with LED as source.     

Design of a novel LED collimating element based on freeform surface

A novel element for collimating LED light is designed based on non-imaging optics. It is composed of a refraction lens and a reflector. The upper surface of the lens is freeform and calculated by geometrical optics and iterative process. The lens makes the rays in the range of 0°-45°from the optical axis collimated. The rays in the range of 45°-90°from the optical axis are collimated by the reflector. The inner surface of the reflector is parabolic with its focus located in the LED chip. The designed element is applicable to LED source of any emitting type. For a certain application, the simulation results of the designed element in Tracepro show that it has a very compact structure and good collimating performance. Just investigating the loss in the lens surfaces, this element has high light output efficiency of nearly 99%. Most lighting area radii are no more than 20 mm when the illuminated plane is 5 m away from the LED source.     

用于LED 平板灯面板均匀照明的自由曲面透镜设计与实现

设计了一种PMMA自由曲面透镜,用于无导光板结构的LED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LED平板灯的出光面板。采用数字仿真和实验制作进行设计。仿真结果表明,当自由曲面透镜与出光面板的距离为5 mm、自由曲面透镜旋转为0、LED与自由曲面透镜的距离为7 mm时,LED平板灯出光效率较高且整灯均匀性达96.6%。实验结果表明,所设计的自由曲面透镜可使无导光板结构的LED平板灯的面板均匀性达95.74%,与数字仿真近似相等。     

LED面光源均匀化方法

文章通过半导体发光二极管（Light—emittingdiode,LED）的配光曲线,构建单颗LED的理论模型,设计可实现均匀照度的LED排列方式。基于几何光学和辐射照度理论,对满足均匀照明的LED阵列进行分析,推导光源照射到观测屏上的总辐射照度的表达式,使用光学模拟软件建立LED阵列的模型,利用软件进行光线追迹。通过仿真结果分析LED之间排列间距,光源到接收面间距离等因素对于照明均匀性的影响。     

用于LED均匀照明的自由曲面菲涅耳TIR透镜光学设计

为了提高透镜的散热能力,设计了一种新型全内反射（TIR）透镜,该透镜的出射面中央为自由曲面菲涅耳面。采用斯涅尔定律和全反射定律分别求解TIR透镜折射部分和反射部分自由曲面的面形。同时,采用一种菲涅耳透镜的普适设计方法将折射部分自由曲面转变成菲涅耳面。通过蒙特卡洛光线追迹模拟自由曲面菲涅耳TIR透镜的照明效果,结果显示:当光源尺寸为2 mm×2 mm时,其远场照度均匀性为82%,光效为96.6%,透镜质量为21.94 g。与未加菲涅耳面的TIR透镜相比,带自由曲面菲涅耳面的TIR透镜在光效仅下降2%,在照度均匀性未变的情况下,透镜质量减少了约20%。这说明对TIR透镜的自由曲面出射面进行菲涅耳化可明显地缩小透镜的体积和质量,缩短光线在透镜内部的光程,因此可有效提高透镜的散热效率和使用寿命,同时保持良好的照明效果。     

一种实现LED均匀圆斑照明透镜的自由曲面设计

由于大多数LED的发光特性表现为朗伯光源,文中提出一种实现LED均匀照明的透镜设计方法。建立了能产生均匀光斑的自由曲面透镜方程,通过Matlab编程得到数值解,并通过建模软件Pro/E建立了透镜模型,最终采用Tracepro进行模拟验证。实验结果表明,利用此方法给LED进行配光,可使照明目标面获得均匀的照度。     

用于室内照明的自由曲面均匀配光透镜设计

以非成像光学为基础,设计了一种在大发散角范围内均匀配光的大功率LED室内照明二次配光透镜方案。采用划分网格法建立光源LED和接收面的映射关系,推导透镜自由曲面面形的一般方程,采用差分法求解透镜面形方程获得面形轮廓数据,再用三维软件建立透镜模型,通过光学仿真软件对所建模型进行光线追迹。结果表明:此方案适用于40°～140°配光角度要求的均匀配光;仿真配光角度120°的照明系统,当透镜的口径与LED发光面直径之比大于等于10时,照明系统的均匀性优于0.9,能量利用率大于92%,且照明效果不受接收面高度的影响。该设计方法为实现大功率LED室内均匀照明系统的小型化和简单化提供了一种有效的途径。     

侧光式LED液晶电视背光模组设计原理

液晶电视背光模组作为设计的关键,正从LCD向LED模组、从小尺寸LED向大尺寸LED模组转变。在LED模组设计中如何将LED点光源转化成均匀的面光源,同时保证必要的光能量利用率,是背光源设计所面临的两大议题。尤其在大尺寸背光模组中,为降低成本,需在设计之初,对背光模组的各个器件进行整体考虑和计算。仿真实验结果证明,中心辉度为≥420 cd/m²;亮度均匀性≥76%;色坐标、视角、画质等均符合设计要求。