基于几何光学原理的透反式准直器设计

基于几何光学原理的透反式准直器设计

0基于led光学系统的照明分析作为一种绿色光源，兼职照明产品（light）具有许多优点。例如电光效率高、寿命长、体积小等。正是由于上述的优点,最近几年LED在照明领域的应用有很大的发展,像路灯照明、汽车灯、投影仪、室内照明等。但是LED芯片本身是一个近似的朗伯光源,光强随着发光角呈现余弦分布,这种光源很难满足各种照明要求。因此需要根据特殊的照明要求设计光学系统,对LED发出的光进行整形,改变其光强分布。TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析的光线仿真软件,具有强大光学分析功能、资料转换能力及易上手的使用介面的模拟软件。应用领域涉及照明、导光管、背光模组等。本文利用几何光学原理,基于LED光源建立了一种透反式的准直器模型,利用TracePro软件对该模型进行了优化和Monte-Carlo光线追踪分析,对其光学特性进行了分析。通过对光强分布曲线、照度分布图的分析,证明了这种准直器的高效性和可行性。1图12自由曲面反射器采用旋转对称结构,采用二维条件下的光线追迹方法即可计算获得反光杯的侧面轮廓线。设入射光线的方向单位矢量I入射到空间自由曲面表面的A点上,经其反射之后的出射光线方向单位矢量O平行z轴出射,曲面点A处的法向矢量为N(见图1)。I、O及N三者满足反射定律的矢量形式:√2-2(Ο⋅Ι)⋅Ν=Ο-Ι(1)2−2(O⋅I)−−−−−−−−−−√⋅N=O−I(1)如果A点坐标为(x,O,z),接收平面上的点B的坐标为(xd,O,H),可以得到:{Ι=(x√x2+z2ˆi,z√x2+z2ˆk)Ο=(xd-x√(xd-x)2+(Η-z)2ˆi,Η-z√(xd-x)2+(Η-z)2ˆk)Ν=(-dzˆi,dxˆk)(2)⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪I=(xx2+z2√iˆ,zx2+z2√kˆ)O=(xd−x(xd−x)2+(H−z)2√iˆ,H−z(xd−x)2+(H−z)2√kˆ)N=(−dziˆ,dxkˆ)(2)将式(2)代入(1),根据初始条件就可以求解出反光杯的轮廓线。2第一次折射的出射面小角度的光线采用菲涅耳透镜对光线进行准直。菲涅耳透镜又称螺纹透镜,是由一系列同心棱形槽构成的,每个环带都相当于一个独立的折射面。设计中依靠三棱镜序列实现菲涅耳的准直。在设计中应遵守基本的几何光学原理,光线入射到棱镜发生1次折射,由棱镜另一面射出发生2次折射。如图2所示,设入射光线与法线夹角为α,经过2次折射的出射光线与法线的夹角为γ,菲涅耳透镜的侧面角为β,透镜的折射率为n。根据折射定律和三角形的几何关系,可以得到菲涅耳透镜的侧面角的表达式为β=arctan(sinα-sin(α-θ)√n2-sin2α-cos(α-θ))(3)β=arctan(sinα−sin(α−θ)n2−sin2α√−cos(α−θ))(3)为了保证从LED光源发出的光线通过菲涅耳透镜出射的光线为平行z轴的光线,必须将光源放置在菲涅耳透镜的焦点上。这时入射光线与法线的夹角为α=arctan(r/f)(4)α=arctan(r/f)(4)式中:r为第一次折射点距离透镜中心的距离;f为透镜的焦距。在TracePro建模时只考虑从焦点入射时的情况,即式(4)中θ=α,再结合齿的宽度就可求得每个棱齿的高度h=btanβ。其中,b为每个棱齿的宽度。在实例中采用焦距5mm,受光面的宽度10mm,棱齿的宽b=0.5mm,总共具有200个齿。根据式(3)和(4),利用已给的参数,就可计算出菲涅耳透镜的初步结构。3在这一系列中的建模和模拟3.1面光源追光模拟在软件中插入一个方形几何物体,作为LED光源。其中设置LED芯片发光面积为1mm×1mm,厚度0.1mm,采用朗伯型配光曲线,光线为10万条。光的波长为0.55μm,发射形式为光通量,光源最大发光角度为160°。将设置的面光源放置在xOy坐标轴的原点,对LED光源进行追光模拟,如图3所示。可以看出,光源在没有进行光学设计前的发光角是很大的。3.2系统模型的建立利用Matlab软件计算出初始结构参数。将参数导入软件Rhinoceros(一款三维建模工具)中进行曲面拟合并建立系统模型。最后将反光杯和菲涅耳透镜的初始结构模型导入到TracePro软件中。反光杯设置成完美反射,菲涅耳透镜选用有优质透光率的聚碳酸酯,折射率n=1.59102,具有高透光率。将菲涅耳透镜放置在距离光源5mm处。建立的几何模型如图4所示。3.3探测器的设计在沿着光轴设置一个探测器,目的是为了接收光线通过光学系统以后的能量分布。探测器的宽度200mm,长度200mm,厚度1mm,放置距离菲涅耳聚焦透镜400mm处。接收面设置成完美吸收面。3.4光通量的设置选择光线追踪按钮,利用Monte-Carlo算法对光学系统进行光线追踪模拟。在进行光线追踪之前,需要设置光通量的计算门槛值,TracePro软件默认的是0.05,也就是光线与物件接触时,会发生反射、透过、吸收、散射等,而会产生许多的光线,但当新产生的光线能量小于5%,将忽略不计,而大于5%就会显示光线(见图5)。为了增加计算精度,可以将门槛值设置为0.0005。3.5准直性能分析通过上面的光线追踪,就可以通过TracePro软件对其准直性能和光能传输效率进行评估分析。图6是在极坐标下的光强分布曲线。模拟实验结果显示,准直性能与预期相符,半光强角度小于3°。图7为探测平面上的照度分布图,不考虑材料吸收等损耗,准直器传输效率约为90%。该式准直器的准直效果和光能传输效率均满足设计要求。4准直的联合照明系统本文介绍了一种用于LED准直照明的二次光学设计——透反式准直光学系统。设计采用反光杯和菲涅耳透镜组合的方法,小角度的光线采用菲涅耳透镜进行准直,