原标题：一种基于自由曲面的LED准直透镜设计

摘要：提出一种能实现准直光束照明的自由曲面透镜设计算法，并基于此算法设计一种以单颗LED为光源的准直透镜。通过建立透镜后表面轮廓曲线上的点所满足的方程，利用迭代方法并结合Matlab编程求出自由曲面轮廓曲线的离散数据点，将数据点导入Solidworks中进行曲线拟合并建模，进而得到透镜的实体模型。在TracePro中对该透镜进行非序列光线追迹，模拟结果表明：该光学系统能够实现均匀照明，并对最终光线可实现准直出射。

关键词：LED；二次光学；自由曲面；准直透镜；非序列光线

引言

LED为半导体固体光源，具有体积小、质量轻、耗能少、寿命长、响应时间短以及抗震性能好等优点，尤其是其抗震动能力，可以经受住各种剧烈的抖动和碰撞，这一特性使得LED手电特别适用于军队、警察、保安、户外探险等特种照明使用场合[1]。

在远距离照明时对手电的出射角度要求比较高，而大多数LED的光强分布近似为朗伯型分布，其发光角度比较大，为了使光束平行出射以提高LED手电的远射性能、令聚焦更准确，减少光散射，减少硬光下的光斑现象使得光线更加柔和，很多工程设计者尝试通过设计基于自由曲面的二次光学透镜来改善出光效果[2-3]，即透镜和封装后的LED配合使用。自由曲面以其灵活的空间布局和设计自由度，使得光学系统的结构得到了简化，尤其在照明光学系统的设计中，自由曲面不仅可以自由分配光强，而且可以控制光线角度、光程差等物理量，使其在以LED为光源的照明系统中具有极大的应用价值。

目前LED二次光学设计方法主要有以下两种：经验法和方程求解法。经验法主要是通过Solidworks等三维机械建模软件绘制出光学元件的结构，将设计的结构导入TracePro等光学模拟分析软件中，通过非序列光线追迹来判断照明面上的照度分布以及整个系统的光强分布。由于这种设计的随意性很强，设计者们往往需要多次修改光学元件的结构，多次模拟来完成设计，此类方法并不需要太多的理论计算，经验往往成为了一个至关重要的因素。方程求解法是通过求解一组方程来设计自由曲面的方法，此方程组往往是基于光源的发光特性和所需实现的照明需求建立的，其未知数为曲面上各点的坐标，因此通过求出方程的解析解或数值解，即可得到自由曲面的面型数据并实现所需的照明，免去了反复试验所需的时间，提高了设计效率[4-5]。

本文提出了一种自由曲面设计算法，并通过一个实例设计了一款LED准直透镜，经光学模拟研究表明，此透镜完全达到了设计要求，实现了理想的准直效果。

1 实现准直光束的平凸透镜设计

对于LED照明光学系统，主要采用反光杯与透镜两种方式。反光杯主要应用于LED手电、探照灯等需要聚光或准直光束照明的场合。准直型反光杯内表面通常为旋转抛物面，为了获得准直光束，通常将LED光源置于抛物面焦点的位置，这样在理论上就可以获得完全准直的光束，但是在实际应用过程中，由于反光杯高度的限制，从朗伯型分布的LED中发出的小角度光束不会入射到反光杯内表面而是直接出射，使得这部分光束仍保持原有的出射方向而没有受到控制，反光杯高度越低，直接出射的光束越多，出光角越大，如图１所示。通过反光杯获得准直光束的设计方法在实际应用中受到反光杯高度的限制，不能形成真正意义的准直，在一些光学系统高度受限的应用场合并不适用[６]。

图1.反光杯出光示意图

透镜作为LED照明另一种主要的光形控制手段，不但能产生会聚光束，同时也能产生发散光束，并且可以对LED发出的各个角度的光束进行有效控制，设计自由度大，实现方式灵活。尤其是随着近几年LED照明用自由曲面透镜的兴起，使得各种非圆对称光斑的设计变得更加灵活与便捷，因此透镜在LED照明中得到了越来越多的应用。本文将以透镜设计为手段来实现LED远光手电的特种照明。

......

......

鉴于篇幅问题，请阅读原文下载↓PDF文档和TracePro 实例oml源文件。返回搜狐，查看更多

责任编辑：