为了使发光二极管(LED)光源在近距离内满足特定角度范围内出射的高效照明, 提出了一种基于光学扩展量的复合椭球面聚光器(CEC)的设计方法。首先, 根据LED 光源的发光特性和非成像光学中的光学扩展量守恒理论, 建立了CEC 的母线方程, 进而依据边缘光线理论和几何光学中的光线追迹原理, 设计了CEC 结构的前后表面面型。最后利用光学设计软件ZEMAX 对所设计的系统进行光线追迹仿真, 结果表明在CEC 出口处可获得的角度大小为51.6°, 在距离出口后4 mm 处8 mm×8 mm 大小的探测器上可利用的光能达到69%。模拟仿真与理论计算结果基本吻合, 证明了该设计方法的合理性。整个系统尺寸较小, 为实现聚光系统的小型化和简单化提供了一种有效的设计方案。

为设计一款使大尺寸LED光源在一定距离内满足特定角度范围均匀照明的反射器, 提出了一种基于复合抛物面聚光器聚光原理、边缘光线原理以及几何光学轴外光线追迹原理的新方法。该方法可以从理论上定量地推导出适用于大尺寸LED的反射器的结构, 实现高光效、高均匀度的照明效果。通过光学设计软件ZEMAX仿真验证了该方法的合理性。

天幕灯是一款用于近距离照射大面积幕布的特殊灯具。为了在限定的区域内获得幕布的均匀照明, 天幕灯需实现非对称、大角度的特定出射光强分布。基于几何光学和辐照度理论, 首先建立满足幕布均匀照明要求的天幕灯配光曲线模型, 然后再根据LED光源的发光特性进行二次光学设计, 使LED天幕灯的出射光强分布与所需的配光曲线模型相匹配。根据能量守恒定律将配光曲线模型进行均匀离散化处理, 建立直射和反射的有效叠加和补偿, 依此设计得到反射面面型, 实现照明要求。通过Zemax对所设计的LED天幕灯进行模拟仿真, 结果表明, 满足配光曲线的LED天幕灯可以通过多个灯具的简单照明叠加实现在近距离范围内对不同大小和形状的幕布进行均匀照明, 其照明均匀度可达到85%以上, 能量利用率可达到80%以上。