核心提示:由于LED是一种朗伯型光源,而非各向同性光源,并且LED光源通常是一种面光源,基于点光源的传统灯具设计方法已难以实现其配光需求,因此有必要研发针对扩展光源的非成像光学设计方法。目前主要有截边法、微分方程法、同步多表面设计法(SMS,Simultaneous Multiple Surfa
再次根据光学扩展量守恒并参照公式{C}{C}便可得到向x-y平面一侧伸出的一组“肋”点链。对于空间中的任意条“肋”点链,都有:
式中Pij和Qij分别为上、下表面第j条“肋”点链上的第i个光线入射点。当i、j取不同数值时便可由公式得到1/4空间内的SMS“脊肋”数据点,通过关于x-y平面和y-z平面内的两次镜像将得到整个空间中的SMS数据,将这些数据通过NURBS曲面建模,最终得到上下两个NURBS曲面。由于前文中已经设计了一种方形出口的CPC器件将LED光源发出的光线控制在±45°范围内,因此需要对SMS的上表面进行裁剪除去多余的自由曲面,尽量降低反射面对光线的遮挡。同时对SMS下表面进行处理以安置光源,处理后通过建模软件对上下表面实体化生成光学器件实体模型。
四、SMS器件仿真和结果分析
1.光学仿真及结果
为了验证以上设计方法的可行性,构建一个由CPC和自由曲面组合的配光系统,其具体参数如下:在方口CPC的入口处设定表面光源属性为朗伯发光体且发射功率为10W,追迹光线为200万条。CPC及SMS表面设置为反射率约为0.94,在近场(0.1m)和远场(1m、5m、10m)处分别插入接收面,用于检测器件的辐照分布情况。图5位于3个位置处接收面上的照度分布情况。
图5中,a、b、c、d分别为为距离光源0.1m、1m、5m和10m处接收面上入射光线的照度分布。通过对比可知在近场(0.1m)处3D-SMS器件形成的照度分布效果一般,为一不均匀亮环;远场情况下,照度图的中心处开始出现明显的方形区域(图5b所示);随着距离的进一步增加,该方形区域逐渐增大,整个辐照度分布也由近场时的亮环变为方形均匀分布。由图5中c、d可粗略估计,3D-SMS器件在远场处形成的光斑其边长分别约为1m和2m。同时,光学仿真结果还表明,考虑介质吸收和反射损耗的情况下,检测平面接收到的光效约为0.63。
2.照度分布特性及系统光效分析
由SMS器件的设计过程可知,某一截面上光源发出的光线经过光学结构的反射被分为左右两部分出射。由于光束发散角较小,在距离光源较近的区域光强主要集中在两个独立的峰值曲线上,因此近场时照度将呈一亮环分布(图5a)。随着距离的增大,这些峰逐渐扩展并互相叠加,最终呈现辐射照度在检测平面上的均匀分布[5]。
图6给出的远场照度剖面曲线,可以较准确地评估方形区域的尺寸。由于照度均匀区域仅局限在曲线顶端一定范围内,因此考虑过曲线中间范围内照度最低点做一水平直线并交剖面曲线外侧于两点,将两点间距称为平顶宽度[5]。图中可发现1m及5m处的照度剖面曲线内部均匀度明显高于10m剖面曲线,因此简单考虑由10m剖面曲线其内部最低照度点所划定的平顶范围,该曲线平顶宽度约为1.16m,宽度范围内的照度均匀度约为0.96。而5m剖面曲线在照度均匀度大于0.96的范围宽度约为0.52m。由于两检测面距离为5m,可根据这些数据计算出该SMS器件的远场边缘光束半发散角:
五、结论
本文提出了一种基于“脊肋”法的三维同步多表面设计方法并构建模型进行了仿真验证,得到良好效果。仿真结果表明,应用该方法构建的三维SMS器件能够在远场处产生规则的方形辐照度分布,考虑损耗时远场接收面上的光效大于0.63;平顶宽度范围内的方辐照度均匀度大于0.96;根据该区域尺寸随光线传播的扩大计算出远场边缘光束半发散角约为3.66°,准直性良好,能够满足准直和投影等应用的要求,对非成像光学相关产业的发展具有重要意义。
创新点说明:
1.国内针对自由曲面构建多集中于二维同步多表面法的研究上,对于三维SMS设计方法的研究较少,本文提出一种基于“脊肋”法的三维同步多表面设计法,并取得良好仿真效果。
2.将CPC同同步多表面相结合,大大降低了设计和光学表面加工的难度。
3.为了更好地衡量非成像光学器件的照明效果,提出了“平顶宽度”的概念。
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