【48812】完成LED台灯均匀照明的自在曲面透镜仿真规划

  近年来，因为用眼过度和书写环境不良等原因，我国已成为青少年近视眼发病率国际第二的国家，并且因高度近视而致盲的青少年人数高达30万[1]。视力维护、缓解眼疲惫十分必要。查询指出，相对于一般沟通

  LED作为直流无闪频、高光效的新一代照明光源，在书写照明应用上具有极大的潜力。可是，LED高度窄角会集的光学特性导致了光斑出现中心极亮，随半径增大方向急速衰减的不均匀现象。这种极度不均匀照明将引起瞳孔频频调焦，容易构成眼睛疲惫和不适。使用自在曲面透镜是有用改进光线散布情况的重要办法。该办法现在首要会集于LED路灯等室外照明的研讨[3]。LED是具有必定发光面尺度的光源，可是面光源的光线途径极端杂乱，因而往往将其简化为点光源模型进行透镜规划。这必定影响实践的配光作用。比较于室外照明，应用于室内照明的LED台灯对照明区域的均匀度要求更高。因而，应用于LED台灯配光的自在曲面透镜规划有必要最大极限地考虑发光面尺度和透镜尺度对配光作用的影响。

  台灯的照明区域首要是圆形区域[4]。因而，完成台灯均匀照明的自在曲面透镜是旋转对称的，其规划能够简化为:依据Snell规律和二维平面空间LED的配光特性求取该平面上透镜自在曲面的母线。LED光源是具有余弦散布特性的朗伯光源，即I()=I0cos(1)上式中I0为法向轴线上LED的光强，为光线与法向轴线(a)所示。使用区分网格法[5]的思维，树立光源与照明区域的拓扑联系。为完成照明区域照度的均匀散布，离散后具有相同微视点间隔d的发射光线在照明区域的映射点的间隔需满意余弦散布的特性，即l()=l0cos(2)

  如图1点光源与照明区域的拓扑联系如图1(b)所示，等式中l0为发射视点d的光线在照明区域的映射点与照明区域中心点的间隔;l()为发射视点的光线与发射视点(-d)的光线在照明区域的映射点间的间隔。

  自在曲面透镜存在表里外表两个折射面。因为光的透射率随入射角的减小而增大[6]，榜首折射面选用球心与点光源重合的半球面可提高光的透射率，并且理论上不影响点光源光线所示，当d取较小值时，自在曲面母线可近似为系列d视点区间的直线线段首尾相接构成。

  图2中Pn和Qn是一对映射点。光线经自在曲面上的点Pn折射后投射到照明区域的对应点Qn。光线的入射角i和折射角存在如下联系:

  其间为直线PnQn和直线OPn的夹角，当Pn和Qn两点的方位确守时，确认;n为透镜原料的折射率。由式(3)收拾可求得入射角i和折射角，如下式所示:

  界说母线点为Pn点的切线与顺时针夹角d光线的交点，则能确保母线的连续性。依据起始点P0及照明区域的映射点序列(Qn)可迭代求取母线上的离散点序列(Pn)，然后确认透镜母线规划事例及仿真成果

  写作台灯需求确保垂直于出光面400mm处半径为500mm规模的照明区域照度均匀散布。选用折射率1.5的PMMA为透镜资料，自在曲面母线)，使用MATLAB编程迭代计算出自在曲面透镜的母线(a)所示。

  依据母线的尺度，取榜首折射面球半径为4mm，并经过pro/e建模，如图3(b)所示。使用Tracepro仿线lm的LED朗伯光源在垂直间隔400mm的照明区域上的照度散布情况。如图4所示，在没有二次光学规划情况下，照明区域几许中心照度最大，其间半径300mm、500mm照明区域的均匀度(最小值/最大值)分别为约0.45、0.15。在500mm圆形照明区域上的光使用率约65%。

  可是，实践上LED光源并不是点光源。现在，市场上大功率白光LED芯片尺度首要在40mil～60mil的规模内，结构上会构成半径为1～2mm左右的发光面。例如国星光电FP-6070XW-AFT-EEM类型大功率LED器材的发光面半径约2mm。以半径为2mm圆形域作为LED光源在Tracepro中的仿线(b)所示。明显，LED发光面尺度会对实践的配光作用产生影响。

  使用自在曲面透镜进行配光规划是经过折射原理改动光的传达方向完成的。可是，在各个折射面上并不只是存在折射。并且，自在曲面上各个点的性质是依据中心点光源和方针照明区域的联系确认的，非中心点发射光线与中心点发射光线之间的差错会导致实践光线传达途径与规划途径存在差错。