LED射灯透镜的光学设计与仿真(2)
Keywords: Light Emitting Diode ;Total internal reflection; Mathematical modeling; Light Angle ;The secondary light source ;Extend the optical
目录
1绪论 1
1.1 背景 1
1.2 研究现状和发展趋势 1
1.3 研究目的及意义 2
1.4 文献综述 2
2 论文主要研究内容与原理 3
2.1 LED光源选择 3
2.2 中心准直透镜设计 3
2.3 全反射透镜设计 4
2.4 毕业设计（论文）应完成的具体工作 5
3程序需求分析 6
3.1 程序运行环境 6
3.2 程序性能 6
3.3 程序界面 7
4 ZEMAX系统平台介绍 7
4.1 ZEMAX介绍 7
4.2 ZEMAX的优点 7
4.3 主要特色 8
4.4 应用领域 8
4.5 新版功能 8
5用ZEMAX设计LED中心准直透镜 9
5.1 传统LED建模方法 9
5.2 新的计算机建模方法 10
5.3 初始解的构建 10
5.4 优化 13
5.5 最终模型的建立和模拟 14
5.6 中心准直透镜自由曲面几何分析 15
6仿真结果和评价 19
6.1 发射器 19
6.2 Cree公司的XLamp XRE 7090 19
7近准直全内反射（TIR）透镜设计 21
7.1 近准直TIR透镜的设计原理 21
7.2 基于LED光源的TIR透镜的优化设计 25
7.3 准直TIR透镜在ZEMAX中的设计流程 28
7.4全文小结 35
参考文献 36
致谢 37
1绪论
1.1 背景
LED作为一种半导体光源，出射光分布基本上为朗伯型分布，其发散角一般约为120°，如果不经过合适的光学处理而直接应用，很难满足照明器件所需要达到的性能指标，如亮度、均匀度等。因此，在实际应用上往往需要对LED光源进行二次光学设计以满足需要的照明指标。在提高照明器件亮度的指标上，除了增加LED光源个数及增加单个LED光通量之外，一个最有效的途径就是进行合理的二次光学设计，对LED光源进行聚光或光路改变以提高LED光源的光能利用率，增加照射到照明器件的光通量。最常见的是利用复合抛物面聚光器(CPC)对光束进行整形，但该光学元件必须具有较长的工作距离，并且在器件尺寸较小的情况下，CPC是一种口径小、长度相对较长的结构，增加了加工的难度。
本文设计了一种全内反射透镜( TIR透镜)来代替CPC聚光器，利用几何光学控制光线走向，可以有效收集LED大范围的出射光，既实现光能的高效利用，也保证了照明系统的小而紧凑化。文章根据大功率LED的出射光分布特点，详细介绍了一种全内反射TIR透镜的设计方法，并利用ZEMAX软件对TIR透镜进行建模，并对光线进行追迹，根据追迹结果对模型参数进行分析评价，得到最优化的TIR透镜。
1.2 研究现状和发展趋势
1.3 研究目的及意义
正是由于 LED作为新一代绿色光源，因其效率高、寿命长、光色纯等优点 ，已越来越广泛地应用在照明、背光、指示灯等领域，但由于LED近似为朗伯型不经过合适的光学系统处理而直接应用，则很难达到照明灯具的性能指标。为了更好地将LED推广至通用照明领域，研究LE D光源的二次光学设计变得很重要。
本课题是依靠TIR透镜综合利用折射和全反射，可以在自身体积较小的情况下，有效收集并分配LED的出射光，达到灯具照明要求。本课题应用光学仿真软件，利用斯涅耳定律、费马原理，针对点光源模型，首先设计TIR结构 对LED射灯透镜进行二次光学设计与优化。从数学建模得到准直全内反射透镜的母线，再通过软件的优化和光线追迹功能，寻找好的TIR光学模型来控制其出射光的发散角，以达到LED射灯透镜设计的要求。
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