基于复合抛物面聚光器的LED全反射透镜的设计.pdfVIP

基于复合抛物面聚光器的LED全反射透镜的设计 汪宇青1，李湘宁1,2,3黄慧1 (1．上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海200093：2．上海市现代光学系统重点 实验室，上海200093；3．教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海200093) 摘要：根据非成像光学理论，提出一种基于复合抛物面聚光器的LED反射器的设计方法， 设计了一款半光强出射角为10。的反射器。在光学软件中进行照明模拟，结果表明，用该 方法设计的LED全反射透镜能准确的控制出射光角度，并达到较高的能量利用率。 关键词二次光学设计；复合抛物面聚光器；全反射 引 言 复合抛物面聚光器(CPC)是一种非成像低聚焦度的器件，多用于聚光系统。将CPC反 向使用，把扩展光源放在原出光V1，目标照明面位于距原入光口一定距离的位置。根据边缘 光线原理，结合CPC结构特性，有效地控制出射光束角的同时能够达到较高的能量利用率。 1设计原理及方法 LED为扩展光源，将之放在组成CPC的两个倾斜抛物面的焦 点中问，全反射一透射LED反射器系统结构如图1所示。由于反 射器长度限制，中间部分的光线无法经过CPC全反射，此部分光 线将由反射器中间的凸透镜来控制其出射光束角。反射器后表面 采用凹面形状，可以在保证同样出射光束角的前提下，减小反射 器的最大口径。 1．1全反射CPC的设计 图1．LED反射器结构 CPC面型可由接收角目和侧 向焦距移动量a决定。建立如图2 ，J 所示的直角坐标系，边缘光线从点 彳和竖直方向成口角度出射，在 点M处经柱面折射进入CPC，折 ／／7X… 射角为∥(折射光线反向延伸与Y M．C- 绷 ～ 轴相交于F点)，在N点由CPC全 f呵哆／，’’ l’ 反射，N点位于CPC边缘，N处法 剐‘，，’ #， m 线方向与CPC参数有关，此时光线 角度与水平方向成口角。 可通过全反射向量公式，得到 图2．CPC参数确定方法 ∥与目的关系，继而可知，对于长度为2b的扩展光源，只需确定出射光束角目和CPC的最 大口径，即可确定CPC外形结构。 1．2反射器后表面及中间透镜的设计 在小范围出射光束角的情况下，为达到设计要求，反射器出射端直径较大，而在实际工 程中，对反射器的最大口径往往有所限制，为了在减小反射器的最大El径的同时保证相同的 出射光束角，可将反射器后表面设置为凹球面，此时出射光束半角由p变为目’。凹球面半 径可根据护’角调整。 由上述CPC结构，可根据所需的CPC直径计算得出边缘光线发生折射的位置，即中间透 镜的位置，中间透镜半径可根据反射器后表面半径，通过高斯光学简单计算得出，在此不做 赘述。 122 2设计实例与结果分析 应用上述理论，设计了一款远距离照明用投射灯。光源为PhilipsLumileds公司的 LUXEON-M，光源采用四片芯片阵列，发光面积为3．53mmx3．76ram，满功率情况下光通 量达到13501m，属大尺寸、大功率LED。要求对位于18m远处的目标面进行半光强角度为 lO。的均匀照明的同时有尽量高的光能利用率。 将模型导入光学模拟软件tracepro进行仿真模拟，如图3 所示。 使用50万条分析光线，探测器置于上述要求位置。光线追 迹结果如图7所示，从左到右依次为照度分布图和照度剖线图， 显示在4m×4m的目标照明面上，能量利用率达到65．77％，半光 强角度为10。，均匀度(最d,／最大)为50％。