第35卷第4期2009年7月光学技术OPTICALTECHNIQUEVd.35No.4July2009:1002.1582(200904.0561.05一种基于同步多曲面方法的LED’定向照明设计吴仍茂,屠大维,黄志华,赵其杰(上海大学机电工程与自动化学院,上海200072摘要:提出了一种对大功率LED出射光实现定向控制的投射器设计方法。根据LED的出射光分布以及预定的光分布范围选用折射一全反射(TIR光学系统。首先利用光学扩展量守恒以及同步多曲面方法求得TIR各折射面和全反射面轮廓曲线上点的坐标,然后再在UG中对坐标点进行曲线拟合得到轮廓曲线,进而得到TIR模型及适合数控加工的面形数据。结果表明:用该种方法设计的投射系统结构紧凑、光能传输效率高;能有效地实现对LED出射光的收集和定向控制;有助于LED的应用和照明系统的后续设计。关键词:应用光学;投射器;同步多曲面;LED照明:TN312+.8文献标识码:ADesign0fLEDdirectionalilluminationbasedonsimultaneousmultiplesurfaceWUReng-mao,TUDa.wei,HUANGZhi.hua,ZHAOQi.jie(CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,ChinaAbstract:Amethod0fdesigningdirectionalilluminationforhighpowerLEDisp]旧p。sed.AnopticalsystemwithTotalInternalReflection(TIRiseh06en,accordingtolightdistributionoftheSotlreeandthedesiredlightdistributionof(孤nergentrays.PointsonprofileCalVesoftl'K№refractingandinternalreflectingsurfacesareobtainedwiththeextendedconservationlawandthesimultaneousmultiplesurfacemethod.ProfilecurvesareobtainedbycurvefittingwiththesepointsinUG,andthenmoddoftheprojectoranddataofthe吼lrfaceprofilesforNCmanufactureareobtained.Theresultsshowthat.withthismethod。theprojectionsystemiscompactandefficient,anditearcollectanddirectionaUycontrolthelightofLEDefficiendy.毗kindofprojectorisbenefitforapplicationofLEDandopticaldesignofilluminationsystem.Keywords:appliedoptics;projector;simultaneousmultiplesurface;LEDillumination1引言发光二极管(Lightemittingdiode,LED是21世纪非常具有竞争力的新型固体光源,具有效率高、光色纯、寿命长、可靠耐用、调整灵活、结构紧凑、工.作电压低等优点…1。随着LED技术的不断完善,以LED为光源的照明系统不断增多,如LED投影仪、LED射灯和LED手电等。采用LED作为光源既可减小照明系统的体积,又可延长照明系统的寿命。然而由于LED出射光范围大,单位光学扩展量所具有的光能与传统光源相比较低,直接采用LED照明在大多数情况下难以满足照明灯具和器件所需要达到的性能指标,因此对以LED为光源的照明系统进行二次光学设计是十分必要的…2。照明系统一般分为反射型、折射型、全内反射(Totalinternalreflection,TIR和复合型【3J3。LED出射光范围大,反射型或折射型照明系统很难有效地调整LED的全部出射光,而复合型照明系统往往不紧凑。TIR利用折射和全内反射,可以有效地收集和调整LED大范围的出射光,并保证照明系统紧凑【4I。本文首先根据同步多曲面方法及光学扩展量守恒定律设计了一种能有效收集和调整LED出光的定向投射器;然后通过一个具体的实例,对该种投射器的结构及光学特性进行分析和研究。丙2光学扩展量光学扩展量描述了光学系统传输光能的能力,光束的光学扩展量等于光束在其角度和位置区域内的积乃图1通过光程计算光学扩展量‘分5l。在三维坐标z等于常数的平面内,光束的光收稿日期:2008—10.13;收到修改稿日期:2008.12—15E-mail:xiaofeng—mso@126.eom;tdwshu@staff.shu.edu.ca基金项目:国家自然科学基金资助项目(60774102;上海市重点优势学科资助课题(YUl02作者简介:吴仍茂(1984.,男,江西省人,上海大学机电工程与自动化学院硕士研究生,主要从事LED照明系统的研究。导师简介:屠大维(1965一,男,上海大学机电工程与自动化学院教授,博士,主要从事光电检测及图像处理、光机电一体化智能机械及系统的研究。561万方数据光学技术第35卷学扩展量可表示成广E=Idpdqdxdy(1式中P=nL,q=nM,其中咒为光束所在介质的折射率,L和M为光线的方向余弦。图1中,从光源S1S2出射...