LED均勻照明在自由曲面透鏡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究,電氣工程論文

LED均勻照明在自由曲面透鏡設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究,電氣工程論文最最近幾年來，伴隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，各種新型光源被開發(fā)出來并得到了廣泛應(yīng)用，LED就是新型光源之一，其突出的特點(diǎn)就是綠色環(huán)保,不僅具有較高的發(fā)光效率，同時(shí)使用壽命也較傳統(tǒng)光源多出近十倍以上。然而LED光源與朗伯光源類似，難以實(shí)現(xiàn)均勻照明，為了克制這一難題，需要對自由曲面透鏡加以設(shè)計(jì)，通過自由曲面的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)LED的均勻照明。一、LED光源特性的簡單概述。LED是發(fā)光二極管的英文縮寫，固然同是固態(tài)的發(fā)光器件，但是它與傳統(tǒng)光源有著明顯不同，從材質(zhì)上講LED屬于半導(dǎo)體材料，具有普通導(dǎo)體十倍以上的發(fā)光頻率和百倍的響應(yīng)速度，同時(shí)LED本身重量較輕且體積較小，因而其適用范圍也有所增加；從光源特性上分析，LED光源與朗伯光源極其相近，LED光分布呈現(xiàn)余弦分布，且余弦分布的角度為零，簡單講就是光沿著垂直于發(fā)光面的軸線進(jìn)行，基于此，LED的光強(qiáng)變化具有下面規(guī)律：I〔Ф〕=I0COS〔Ф〕，在這里等式中Ф代表分布的光線與發(fā)光面垂線所構(gòu)成的夾角，該夾角最大會(huì)到達(dá)90，式中I0則為夾角為零時(shí)的光強(qiáng)，也就是沿垂線的光線強(qiáng)度。通過以上公式不難看出，LED用于照明時(shí)所構(gòu)成的光線會(huì)呈現(xiàn)由中心向四周由強(qiáng)變?nèi)醯姆植?，即?gòu)成不均勻的圓形光斑，假如在不進(jìn)行處理的情況下將LED直接用于照明使用，這種不均勻的光源分布會(huì)給生活帶來不便，不利于LED在個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用。為了實(shí)現(xiàn)LED均勻照明，克制不均勻圓形光斑，在投入使用前需要進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高LED的發(fā)光效率。二、自由曲面透鏡設(shè)計(jì)的重要性。根據(jù)以上分析可知，由于LED光強(qiáng)變化規(guī)律影響，假如將LED光源直接用于照明，照明效果不佳，不僅會(huì)出現(xiàn)圓形的不均勻光斑，同時(shí)其發(fā)光效率較低，為了克制這些缺點(diǎn)，需要對LED光源進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，就是在無能量損耗或者能量損耗極小的情況下，實(shí)現(xiàn)LED光源的均勻照明?；谧杂汕婢哂锌刂乒饩€角度和分配光強(qiáng)等優(yōu)勢特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)LED均勻照明中被廣泛采用。我們知道發(fā)光二極管體積較小，其芯片大小一般為1mm1mm,因而可將LED視為點(diǎn)光源進(jìn)行配光設(shè)計(jì)，通過控制光線的發(fā)光角度，使光線均勻的分布在發(fā)光面上，根據(jù)多年的研究經(jīng)歷體驗(yàn)表示清楚，自由曲線透鏡可實(shí)現(xiàn)LED均勻照明的效果，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)自由曲面透鏡具有重要的意義。自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)，不僅克制了LED本身存在的缺陷，同時(shí)還提高LED光源的發(fā)光效率，進(jìn)一步擴(kuò)大LED在社會(huì)生活中的應(yīng)用范圍。三、自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方式方法。顧名思義，自由曲面具有明顯的不規(guī)則性，其曲面主要是自由實(shí)現(xiàn)的，難以用統(tǒng)一的表示出公式進(jìn)行描繪敘述，因而在進(jìn)行透鏡設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)具有一定的難度。當(dāng)下，我們國家主要采用的自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方式方法有兩種，華而不實(shí)微分方程法最為普遍，其次便是劃分網(wǎng)格法，除此之外還有其他的一些設(shè)計(jì)方式方法，比方講SMS方式方法、參數(shù)優(yōu)化法。本文主要通過對劃分網(wǎng)格法和微分方程法進(jìn)行詳細(xì)分析，望能為同行業(yè)人士帶來借鑒與參考。〔一〕劃分網(wǎng)格法。1劃分網(wǎng)格法的扼要概述。劃分網(wǎng)格法用于透鏡設(shè)計(jì)非常的直觀，主要是在遵守能量守恒原理的情況下，對LED光源和其照明面進(jìn)行同規(guī)則的分割，實(shí)現(xiàn)光源對應(yīng)點(diǎn)與照明面的映射關(guān)系，之后通過迭代計(jì)算求解面型數(shù)據(jù)。因而這種設(shè)計(jì)方式方法具有非常高的精準(zhǔn)性，同時(shí)由于不需要誤差分析，設(shè)計(jì)效率也較高。2設(shè)計(jì)原理。圖1是自由曲面透鏡外表生成示意圖，自由曲面透鏡設(shè)計(jì)采用劃分網(wǎng)格法時(shí)，其設(shè)計(jì)原理如下：首先，選擇LED光源的出射角度，在光源的出關(guān)方向構(gòu)建平面坐標(biāo)系，給定照明面的初始點(diǎn)后，根據(jù)能量守恒原理進(jìn)行計(jì)算，確定光源離散點(diǎn)與照明面給定點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，完成第一個(gè)LED光源I0與照明面的映射關(guān)系的計(jì)算。其次，透鏡的初始點(diǎn)確定，應(yīng)在初始光線的傳播途徑上，并根據(jù)光的折射原理找出初始點(diǎn)的法向量，進(jìn)而確定初始點(diǎn)的切平面。初始點(diǎn)出的單位法矢量計(jì)算公式為：該式中n為自由曲面介質(zhì)的折射率。最后，通過以上初始點(diǎn)的切平面確定曲面的第二個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)Q11,該點(diǎn)即為第二條入射光線I11與切平面的交點(diǎn)，以此類推，進(jìn)而得出全部光源對應(yīng)點(diǎn)與照明面的映射關(guān)系。借助與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將以上所有映射關(guān)系進(jìn)行迭代計(jì)算，自由曲面的外表坐標(biāo)進(jìn)而確定，其面型也相應(yīng)得出?！捕澄⒎址匠谭?。1微分方程法的扼要概述。微分方程法主要通過利用偏微分方程求解，將自由曲面的面型數(shù)據(jù)計(jì)算得出，由于該方式方法具有非常強(qiáng)的目的性，因而獲得面型數(shù)據(jù)的時(shí)間較短，但是由于偏微分求解較為困難，同時(shí)自然界還存在很多的不可解方程，因而需要設(shè)計(jì)人員具有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。2設(shè)計(jì)原理。微分方程法求解自由曲面的面型數(shù)據(jù)時(shí)，最關(guān)鍵的是構(gòu)建微分方程，通過自由曲面上點(diǎn)與照射平面點(diǎn)之間的關(guān)系，得出一階偏微分，再根據(jù)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算求解?；诖?，首先應(yīng)通過坐標(biāo)系的建立明確光點(diǎn)位置，通過空間坐標(biāo)的構(gòu)建，結(jié)合能量守恒原理公式，將兩點(diǎn)的關(guān)系式進(jìn)行表示出。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)歷體驗(yàn)，LED光源應(yīng)為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，假設(shè)三維坐標(biāo)系上自由曲面有一點(diǎn)p〔，，p〔，，〕〕，同時(shí)用t〔x,y,z〕來表示照明面上的一點(diǎn)，利用光的折射定量和能量守恒定量，將點(diǎn)P與點(diǎn)t之間的關(guān)系表示出出來，進(jìn)而能夠得出p〔，〕在與的一階微分方程式，根據(jù)數(shù)值進(jìn)行求解即可得出對應(yīng)的自由曲面的面型數(shù)據(jù)。結(jié)束語。綜上所述，由于LED直接用于照明時(shí)會(huì)產(chǎn)生不均勻的圓形光斑，而自由曲面可控制光線角度，可對LED在照明使用時(shí)的這種缺乏進(jìn)行彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)LED均勻照明，因而對自由曲面透鏡設(shè)計(jì)具有重要意義，可大大提高LED的發(fā)光效率。隨著科技水平的不斷發(fā)展，自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方式方法不斷的推陳出新，人們加大了對透鏡的設(shè)計(jì)，促進(jìn)了LED在社會(huì)生活中的廣泛應(yīng)用。以下為以下為參考文獻(xiàn)。[1]顏穩(wěn)萍，郭震寧，林介本，甘汝婷，林木川.實(shí)現(xiàn)近場均勻照明的雙自由曲面大角度透鏡設(shè)計(jì)[J].光子學(xué)報(bào)，2021〔01〕：141-146.[2]賴麗萍