讓LED定向照明：同步多曲面

　　接下來求解第二組曲面。初始條件是點(diǎn)Ho和點(diǎn)H1。點(diǎn)H1的確定如圖7所示，點(diǎn)G3和點(diǎn)G4分別為光線11和光線12延長線的交點(diǎn)，以及光線13和光線14延長線的交點(diǎn)。

　　為使所有經(jīng)曲面NQ全反射后的光線從曲面EC出射，要求了

式中：z3和z4分別為點(diǎn)G3和點(diǎn)G4的橫坐標(biāo)；S09為從曲面CD出射，由波前分別為w1和w2的所有光線組的交點(diǎn)在垂直于光軸的平面內(nèi)形成的投影面積；SrTw為經(jīng)曲面FM全反射后，由經(jīng)曲面EC折射成的波前為w1和Ⅳ：的所有光線組的交點(diǎn)在垂直于光軸平面內(nèi)形成的投影面積。在選取點(diǎn)H，時(shí)，要求點(diǎn)H1的橫坐標(biāo)滿足上式且大于點(diǎn)M的橫坐標(biāo)（便于加工時(shí)開模）；點(diǎn)H，應(yīng)位于曲線FM的下方；曲線TV在點(diǎn)Ho處的法線與z軸正向的夾角較大（一般在3rad左右）。在確定點(diǎn)Hl并求得曲線T、，在點(diǎn)H0處的法線之后，可進(jìn)行曲面TV和曲面NQ的求解。

　　曲線Ⅳ和曲線NQ的求解過程分別與曲面AT和曲面FM的求解過程相同。在求解曲線TV時(shí)，由于曲線Ⅳ在點(diǎn)H0處的法線與z軸正向的夾角較大，而點(diǎn)H0的縱坐標(biāo)往往很小，因此在曲線TV的法線與X軸正向的夾角小于1.9rad之前，曲線TV和曲線NQ的求解便可完成。之后，分別擬合曲線NQ和曲線T、，上的已求點(diǎn)，得到曲線NQ和曲線Ⅳ。

　　為方便加工，用線段連接點(diǎn)E和點(diǎn)F，點(diǎn)E的橫坐標(biāo)應(yīng)大于點(diǎn)F的橫坐標(biāo)；用線段連接點(diǎn)M和點(diǎn)N。然后旋轉(zhuǎn)投射器的輪廓曲線，得到投射器三維模型，至此投射器設(shè)計(jì)完成。

　　5 設(shè)計(jì)實(shí)例與模擬分析

　　采用1×1O112的LED芯片作為光源，投射器所用材料選用有機(jī)玻璃（PMMA）。要求LED芯片的所有出射光經(jīng)投射器作用后分布在光軸兩側(cè)2。

　　的范圍內(nèi)。與芯片相對(duì)的內(nèi)折射曲面輪廓曲線的端點(diǎn)取為（一4，6）。

　　根據(jù)上述分析，將計(jì)算所得的各輪廓曲線上的點(diǎn)導(dǎo)人UG進(jìn)行曲線擬合，然后將擬合生成的輪廓曲線繞光軸旋轉(zhuǎn)得到投射器的三維模圖8投射器截面型。圖8是該投射器的截面外形尺寸，透射器出光口直徑為31.5mm，高度為20.2mm。再將投射器的三維模型導(dǎo)入Tracepro，并對(duì)LED出射光進(jìn)行光線追跡。圖9為系統(tǒng)的光線追跡圖，I類為LED出射光經(jīng)投射器作用后分布在預(yù)定的光分布范圍內(nèi)的光束，Ⅱ類為LED出射光經(jīng)各折射面菲涅爾反射形成的光束。圖10為距投射器頂部50mm處目標(biāo)平面的照度分布圖。

　　模擬分析結(jié)果表明：

　?。?）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分緊湊。

　　（2）系統(tǒng)的效率大于圖9系統(tǒng)光線追跡圖91％，光能損失主要是由各折射面的菲涅爾反射以及投射器所用材料對(duì)光能的吸收引起的。

　?。?）投射器有效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED全部出射光的收集和定向控制。

　　6 結(jié)論

　　本文提出了一種實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率LED出射光有效收集和定向控制的投射器設(shè)計(jì)方法。根據(jù)LED的出射光分布、預(yù)定的光分布范圍及光學(xué)擴(kuò)展量守恒定律，利用同步多曲面方法求得各折射面和全反射面輪廓曲線上的點(diǎn)。在UG中首先對(duì)已求點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，并通過旋轉(zhuǎn)擬合曲線得到投射器模型以及適合數(shù)控加工的面形數(shù)據(jù)，然后再將該模型導(dǎo)入Tracepro光學(xué)設(shè)計(jì)專用軟件。對(duì)u、D出射光進(jìn)行光線追跡，并對(duì)系統(tǒng)的效率進(jìn)行了分析研究。用該種方法設(shè)計(jì)的定向投射器結(jié)構(gòu)緊湊、光能傳輸效率高，能有效收集和定向控制UD的全部出射光。