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基于slonl的led灯具透镜设计 0 led照明技术 杨氏多量化钾光刻冲程装置（light）具有体积小、寿命长、电机电压低、光谱强度稳定、光谱转换效率高、光谱覆盖大、环保节能等特点，并在照明行业发挥重要作用。根据我国开展的绿色照明工程调查显示,中国能源消耗总量12%是用于照明,如果LED照明技术能够完全取代传统白炽灯照明技术,大约可节省30%的照明用电,这对能源日渐紧张的当今社会,无疑具有重要的意义。 LED光源用于商场或工厂等室内照明,需要在照明接收面上得到较大范围的且均匀的照明区域。而经过原始封装好的LED光源的发光形式是辐射角约100°~120°的朗伯体分布,即发光光强正比于极向角余弦的光分布。图1显示的是未经重新配光设计的LED光源在接收面的照度分布图和角分布图。 从图中可以看到,未经过光学设计LED光源发光范围小,照明区域不均匀,投射到接收面上的光线分散,照明区域小,不能满足特定的室内照明需要。因此,对于封装好的LED光源再做一次光学设计,即二次光学设计,使之满足室内照明的特殊需要是LED灯具设计的一个重要过程。 1 自由曲线透镜的二次光学设计方法 1.1 可实现二次光学自由曲面透镜的优点 传统二次光学照明设计,是基于成像光学的方法,先建立一个初步的光学结构,再利用光学设计计算软件,在最初的光学结构的基础上利用最小二乘法不断优化改进,从而达到满足照明条件的结果。这种优化方法的优点是计算结果比较准确,其缺点也是比较明显的:计算优化对数学要求较高,消耗时间较长,对用于模拟计算的计算机配置有很高需求,而且对设计人员的计算编程能力要求也比较高。 为了解决传统光学设计遇到的以上问题,本文提出一种新的易于实施计算的LED二次光学自由曲面透镜的设计方法,这种方法设计出的二次光学透镜配合LED光源,可以在接收面达到大范围均匀照明的效果。其实现原则是:基于能量守恒定律,对LED朗伯体型光源的发光通量和目标圆形接收面建立一一对应关系;遵循光线折射Snell定理,通过线性方程计算透镜曲面点坐标,并借助三维计算机辅助软件(CAD)构造二次光学自由曲面透镜。 1.2 sell定律构造目的区域 用区域分割的方法实现接收面均匀照明,其基本思想如图2所示:将全空间的出射光线按照极向角的度数做一定数目的区域分割,将照明接收面对应分成相同数目的区域,这些区域的面积大小、比例取决于前面按照极向角分割的各区域光线的光通量之比。经上述分割后,相邻极向角度范围内的所有光线能量(即光通量)和接收面的几何区域就可以建立一一对应关系。利用光线折射的Snell定律,由LED光源发出,依照极向角分割的每个区域的全部光线投射到与之对应的接收面几何区域上。由于某个接收面的照度大小等于投射到该区域的光通量除以该区域的面积,因此,在前文所述的操作下,整个接收面可以达到均匀照明的效果。 1.3 极向角ue钢绞线 封装后的LED发光呈约120°的朗伯体型光源形式,即:I(θ)=I0cosθ,其中I0是LED光源中心光强,θ是出射光线与竖直方向极轴的夹角。定义φ为光源出射光线与轴向方向的夹角,则总光通量可以由发光光强对全空间的积分得到: 首先对极向角θ作均匀分割,本文设定的LED光源极向角的范围为0°~60°,将极向角平均分成100个区间,根据式(1)容易求得,对于θi到θi+1之间区域的光通量为 其后对照明接收面分割,定义:αi=ue788i/ue788total,在目标圆形接收面上划分100个同心圆,这100个同心圆区域满足规则:第i个圆和第i-1个圆之间所夹的环形区域的面积与整个圆形接收区域面积的比值正好等于αi。 对于所选发光光源,极向角在θi到θi+1的区间的所有光线被限制在第i个圆和第i-1个圆之间所夹的环形区域中。于是建立了光源能量和接收面区域的一一对应关系,由前文论述可知,接收面被分割的每份区域照度值都相等,即整个接收面可以达到均匀照明的效果。 1.4 算法的基本过程 光线折射的Snell定理是: 其中,n为制作透镜材料的折射率,I、O分别为入射光线与出射光线的单位方向向量,N为法向方向的单位方向向量。 对于实现大范围均匀圆形照明,由于出光光源和接收面均相对极轴呈中心对称,因此只需选定一个过极轴的截面,并在该截面上计算自由曲面透镜在该截面上的相应折射点后,将这些折射点连接成曲线并绕极轴旋转360°即可得到自由曲面透镜实体。图3所示是计算透镜截面上点坐标的几何示意图。 定义光源中心与透镜顶点P0(R0=0,H),在P0点上透镜的法向量N0=(0,1),并且第i条入射光线的入射方向单位向量已由极向角θi确定,Ii=(cosθi,sinθi) 用递推法构造自由曲面透镜上的点,在已知透镜上的点Pi(xi,yi)和法向量Ni时,可由下面的递推方法求得Pi+1(xi+1,yi