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双自由曲面均匀照明led准直器透镜设计 0 led准直透照法 该灯具有寿命长、规模小、能量损失、绿色环保等优点，被用作道路照明、探光灯和未来照明的应用。然而，由于自身的强光束分布，很难直接应用于照明行业。需要重新设计绿色室内的光强分布，即二次照明设计。 LED二次光学设计主要针对两类问题:一是应用在远距离照明等领域的准直照明;二是应用在投影照明、室内照明、道路照明等领域的对固定目标面的均匀照明.实现LED准直照明的设计方法有多种.Shuang Zhao等分析了单个自由曲面折射透镜对光源准直角度的限制, 在光源小角度范围使用单自由曲面准直, 在大角度范围内使用抛物面反光杯准直, 设计了质量轻、准直度高的LED探照灯.Guangzhen Wang等依据非成像理论中的笛卡尔卵圆原理设计了LED准直透镜, 该透镜在200m处5m半径范围内光效约为80%.文献[2, 9]针对远距离探照, 利用单自由曲面的折光能力实现光线准直出射.同步多曲面法是采用多自由曲面对LED光源进行准直的经典方法, 可以针对扩展光源进行准直.但这些准直方法都没有加入能量分配, 虽然实现了准直照明, 但近场照明光斑不均匀, 而在紫外LED曝光机、LCoS投影显示等领域中需要近场准直均匀光束照明.固定目标面均匀照明的主要方法为求解微分方程法和切面迭代法, 两种方法都是将LED看作点光源, 利用目标面与LED发光角度的坐标关系和斯涅耳 (SNELL) 定律求解单个自由曲面上的点坐标.然而这两种方法所设计的单一自由曲面只能实现光强的重新分配, 无法同时实现光束的准直. 本文提出了一种利用双自由曲面实现被照空间近场和远场均匀照明的LED准直透镜设计方法.根据马吕斯定律, 推导了光束准直出射的等光程方程, 在切面迭代法中加入等光程条件, 同步计算出负责光强分配的下表面和负责光束准直的上表面的面形数据, 分析了光源尺寸变化对透镜匀光和准直性能的影响, 并进行了公差分析. 1 设计原则 1.1 [0,m]内光通量的检测 马吕斯定律指出垂直于波面的光线束经过任意多次反射和折射以后, 出射光束仍垂直于出射波面, 并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值.根据马吕斯定律, 若把LED光源看作点光源, 在经过准直之后, 出射波面为平面波, 点光源发出的所有光线到达平面波对应点时经过的光程恒定.如图1所示, 以LED发光角φM为临界角, LED均匀照明准直透镜分为折射和反射两部分, 该均匀照明准直透镜出射光斑为圆形, 可仅考虑二维平面上光轴右侧的一半, 然后旋转360°成实体. 图1 (a) 为折射部分, 自由曲面A1B1和自由曲面A2B2对LED点光源发出的[0, φM]内的光束进行匀光和准直.LED在原点处, 自由曲面A1B1的A1点距离光源h, 透镜厚度为d, 目标面距离透镜t, t可以任取.在目标面上选半径rM的圆作为折射部分对[0, φM]内光通量的接收区域.将LED光源看作朗伯体, 光源发光强度为I=I0cosφ, I0为沿z轴方向光强, 目标面均匀照度为E, 根据能量守恒可得:I0/E=rM2/sin2φM.光源发光角φm与目标区域半径rm的坐标关系为 光线OPm长度为ρm, 经过自由曲面A1B1在Pm点的折射, 入射到自由曲面A2B2的Qm点, Qm点坐标为 (rm, zm) , rm通过式 (1) 求出.经过Qm点折射后准直入射到目标曲面上点Lm, 点Lm坐标为 (rm, h+d+t) .光源发出φm角的光线到达目标面点Lm所经过的光程等于轴上光线由O点到目标面点O1所经过的光程, 由此推得 式中a=n1/n2, C=[ (1-a) d-aρm]2- (rm-ρmsinφm)2- (ρmcosφm)2, n1为光线入射前介质折射率, n2为透镜折射率;在求解过程中舍去了一个没有物理意义的解. 图1 (b) 为反射部分, 曲面B1E为球心在O点、半径为OB1的球面;LED点光源发出的[φM, φmax]内的光线经过球面B1E之后, 不发生折射, 由反射面C1D1和自由曲面B2D2进行匀光和准直.令φmax=π/2, 最大发散角出射光线OC1沿x轴出射, 经C1点反射后准直入射到B2点, 即B2的横坐标与C1点的横坐标同为rM;光线经过B2点后的出射光线和光源发散角为φM时的出射光线重合, 均准直入射到目标面LM处.LED光源发出的[φn, φmax]内的光通量经过透镜配光准直后入射到目标面半径在[rM, rn]之间的圆环内, 该圆环内的照度与0[, rM]区域内的照度相等, 同为E;由能量守恒可推出反射部分光源发光角与目标面的坐标关系为 光源发出φn角 (φn∈[φM, φmax]) 的光线到达目标面Ln点所经过的光程等于最大发光角光线由O点到目标面LM点所经过的