中国科学院苏州生物医学工程技术研究所光健康中心，江苏 苏州 215163
为了对比TIR（Total Internal Reflection）透镜和自由曲面反光杯用于LED（Light-Emitting Diode）光源准直的效果，基于TracePro分别仿真LED光源在相同口径的TIR透镜和反光杯下的有效射程和光斑直径，对比相同口径的TIR透镜和反光杯下的准直特点。研究结果表明，随着口径的增加，射程均有所增加，光线形态经历三个阶段，对应光斑有三种形态，即矩形形态、复峰形态和驼峰形态；光源经过反光杯后的光斑直径更小且存在滞后效应；LED光源经过TIR透镜后的射程更远，但相差较小；当光斑口径过大时，两种光学系统均形成光环。
光学设计 LED TIR透镜 反光杯 仿真 激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1922001
1 苏州大学 光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室 & 教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
为了提高透镜的散热能力，设计了一种新型全内反射（TIR）透镜，该透镜的出射面中央为自由曲面菲涅耳面。采用斯涅尔定律和全反射定律分别求解TIR透镜折射部分和反射部分自由曲面的面形。同时，采用一种菲涅耳透镜的普适设计方法将折射部分自由曲面转变成菲涅耳面。通过蒙特卡洛光线追迹模拟自由曲面菲涅耳TIR透镜的照明效果，结果显示：当光源尺寸为2 mm×2 mm时，其远场照度均匀性为82%，光效为96.6%，透镜质量为21.94 g。与未加菲涅耳面的TIR透镜相比，带自由曲面菲涅耳面的TIR透镜在光效仅下降2%，在照度均匀性未变的情况下，透镜质量减少了约20%。这说明对TIR透镜的自由曲面出射面进行菲涅耳化可明显地缩小透镜的体积和质量，缩短光线在透镜内部的光程，因此可有效提高透镜的散热效率和使用寿命，同时保持良好的照明效果。
optical design Fresnel TIR lens Snell's law heat dissipation 光学设计 菲涅耳TIR透镜 斯涅尔定律 散热 红外与激光工程
2021, 50(2): 20200183
提出一种折反式LED准直透镜设计。根据非成像光学理论推导出准直透镜的数学模型, 利用数值分析方法对透镜模型进行求解和优化, 通过Matlab编程和三维软件Solid works的构建, 可以得到准直透镜的三维模型。应用光学软件TracePro进行仿真分析, 结果表明在基于直径为1 mm圆形的单个朗伯体LED面光源的条件下, 可实现接近±3度的准直照明。该透镜准直效果较好, 可应用在需要准直照明的环境中。
发光二极管 准直透镜 数值分析 朗伯体 LED TIR lens numerical analysis Lambert
随着安防产业的不断发展, 人们对摄像机的需求也越来越多, 要求也越来越高, 对具有较大视场的全景图像的需求也更加迫切, 从而各种拼接算法、拼接应用应运而生。虽然现有的软件算法已经能够做到很好的效果, 但图像拼接中补光配光问题依旧突出。针对以上情况, 对发光二极管(Light Emitting Diode, LED)在补光下存在的照度或光强不一致的问题进行了研究, 并且采用全内反射(Total Internal Reflection, TIR）透镜思路进行透镜二次配光设计, 使LED灯发射出来的光斑拼接后照度或光强均匀, 同时进行了仿真。仿真结果表明, 该设计能有效避免光斑拼接后出现明显的过亮或过暗的痕迹, 使拼接效果更好, 满足摄像机全天候工作的需求。
补光 图像拼接 配光 发光二极管 全内反射透镜 supplement image splicing light distribution LED TIR lens 红外与激光工程
2018, 47(8): 0826003
针对目前舞台灯的光束角可变范围小、照度均匀性差等缺点，在全反射式透镜结构的基础上，基于变焦透镜组原理，设计出一种采用单颗透镜的变焦透镜系统。该系统包括准直透镜和可移动的调焦片，并且使用SolidWorks软件，依次在准直透镜的镜面上进行不规则六边形复眼圆周填充阵列和调焦片的两侧进行六边形复眼圆周阵列设计。经过光学软件LightTools仿真以及实际光照效果检测，此款透镜在匹配S2WP的全彩LED光源后，上述结构能够有效解决RGBW全彩LED光源在舞台灯照明上均匀性和混光差的难题。此外，设计出的舞台灯变焦透镜的光学效率高达87%，可在0 mm~15 mm的调焦范围内，光束角(1/2光强角)的可变范围为4°~53°。
照明设计 LED变焦透镜 舞台灯 lighting design LED zoom lens stage lights TIR total internal reflection(TIR)
1 西安石油大学, 理学院，西安 710065
2 西安石油大学, 计算机学院，西安 710065
3 福州大学物理与信息工程学院，福州 350108
针对朗伯型发光特性的LED光源, 采用田口方法和传统遗传算法过程相融合的混合田口基因算法(HTGA)对用于光束整形的TIR透镜进行结构优化设计, 以期在特定目标屏上获得均匀照明效果。此算法把透镜结构参数组合作为染色体, 以目标屏上所获得的照明效果为基础构建评价函数, 最终优化获得TIR透镜结构参数。整个过程在Matlab和Tracepro共同搭建的平台上进行。仿真结果表明, HTGA算法充分利用田口方法的参数设计特性, 提高了传统遗传算法优越性, 最终优化所得TIR透镜在实现光能利用率60%的情况下, 使照明均匀度达到88%, 有效改善目标屏上的照明均匀性。
TIR透镜 混合田口基因算法 照明均匀度 信噪比 TIR lens LED LED Hybrid Taguchi-Genetic Algorithm(HTGA) illumination uniformity signal noise ratio
长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
设计了用于太阳能聚集的全内反射(Total-internal-reflection, TIR)聚光器并采取措施进行优化, 将多个TIR聚光器进行叠加放置在光波导板组成波导聚光模块。太阳光线经TIR聚光器阵列收集后照射到光波导板上并在其内部传播, 由末端的光伏电池吸收。由实验结果可知, 在光波导板长度为400 mm增至4 800 mm的过程中, 光学效率由88.6%降低为40.2%, 而辐照度由212 W/m2增长为980 W/m2。这样根据不同需求选取不同长度的光波导板, 并在保证较高的输出功率的前提下大大减少所需使用的光伏电池面积, 同时TIR聚光器只需水平放置在光波导板上, 避免了透镜阵列与光波导板的严格对准要求, 降低了制造与装配成本。
TIR聚光器 光波导板 太阳能 光学效率 辐照度 TIR concentrator waveguide slab solar energy optical efficiency irradiance concentration 红外与激光工程
2016, 45(10): 1020001
1 江苏大学 机械工程学院, 江苏 镇江 212000
2 深圳市鑫希叶光电有限公司, 广东 深圳 518000
研究一种可以在高横纵比的线形区域形成特定照度分布的LED透镜设计方法, 即分部设计法。全反射部分根据边缘射线原理和斯涅耳定律设计, 采用数值积分迭代法计算, Matlab编程得到全反射部分的轮廓线; 透射部分用试错法设计, 用SolidWorks将全反射部分和透射部分整合出了一款新的拱形透镜。设计的透镜尺寸为25 mm×18 mm×10 mm。模拟与实践结果表明: 透镜匹配扩展光源后, 光学效率高于85%, 半光强角可达9°×135°, 可以在横纵比大于15的线形区域实现均匀照明。
照明设计 LED二次光学设计 线形区域 边缘光线原理 拱形透镜 illumination design LED secondary optical design line-shaped regions edge-ray principle arch lens TIR TIR
1 深圳大学 电子科学与技术学院, 广东 深圳518060
2 深圳市微纳光子信息技术重点实验室, 广东 深圳518060
LED功率的不断增大使其逐渐替代传统光源,并广泛用于各种照明光源。在某些室内照明以及道路照明设计中,通常需要借助LED透镜产生矩形光斑从而充分利用光能避免浪费。利用Light Tools软件设计了一种全内反射(total internal reflection,TIR)透镜与特定微型透镜阵列的组合透镜,设置TIR准直透镜透射曲面和全反射曲面为二次曲面,并对其进行准直优化。然后建立单个微型透镜,设置单个矩形微透镜长宽比分别为1∶1、3∶2和4∶3,并将其阵列化。通过改变微型透镜的尺寸以及球面曲率半径进行进一步优化,最后生成与微型透镜长宽比对应的均匀矩形光斑,从而满足不同矩形照明区域的照明需求。
照明工程 TIR透镜 微型透镜 illumination engineering LED LED TIR lens micro-lens
分析了LED光源应用于舰载搜索灯的巨大优势,对其中的关键技术进行了研究,分别利用CPC和TIR聚光原理对封装后的LED光源进行了二次配光设计,并建立了相应的光学模型,通过对比前后的仿真结果分析了两者的优缺点,为舰载LED搜索灯的应用研究提供了有益的借鉴。
文字间用 号隔开空半格舰载搜索灯 发光二极管 复合抛物面聚光器 全内反射透镜 二次配光设计 shipboard searchlight LED CPC TIR second optical design
