LED均匀照明在自由曲面透镜设计中的应用研究--x
LED 均匀照明在自由曲面透镜设计中的应用研
究
近几年来，伴随着经济和科技的快速发展，各种新型光源被开发出来并得到了广泛应用，LED
“ ”就是新型光源之一，其突出的特点就是 绿色环保 ,不仅具有较高的发光效率，同时使用寿命也
较传统光源多出近十倍以上。然而 LED 光源与朗伯光源类似，难以实现均匀照明，为了克服
这一难题，需要对自由曲面透镜加以设计，通过自由曲面的构建实现 LED 的均匀照明。
一、LED 光源特性的简单概述。
LED 是发光二极管的英文缩写，虽然同是固态的发光器件，但是它与传统光源有着明显不同，
从材质上讲 LED 属于半导体材料，具有普通导体十倍以上的发光频率和百倍的响应速度，同
时LED 自身重量较轻且体积较小，因此其适用范围也有所增加；从光源特性上分析，LED 光
源与朗伯光源极其相近，LED 光分布呈现余弦分布，且余弦分布的角度为零，简单讲就是光沿
着垂直于发光面的轴线进行，基于此，LED 的光强变化具有以下规律：
I（Ф）=I0×COS（Ф），在此等式中 Ф代表分布的光线与发光面垂线所构成的夹角，该夹角最
大会达到 90°，式中 I0 则为夹角为零时的光强，也就是沿垂线的光线强度。通过以上公式不难
看出，LED 用于照明时所形成的光线会呈现由中心向四周由强变弱的分布，即形成不均匀的圆
形光斑，如果在不进行处理的情况下将 LED 直接用于照明使用，这种不均匀的光源分布会给
生活带来不便，不利于 LED 在个领域的运用。为了实现 LED 均匀照明，克服不均匀圆形光
斑，在投入使用前需要进行二次光学设计，从而提高 LED 的发光效率。
二、自由曲面透镜设计的重要性。
根据以上分析可知，由于 LED 光强变化规律影响，如果将 LED 光源直接用于照明，照明效果
不佳，不仅会出现圆形的不均匀光斑，同时其发光效率较低，为了克服这些缺点，需要对 LED
光源进行二次光学设计，就是在无能量损耗或者能量损耗极小的情况下，实现 LED 光源的均
匀照明。基于自由曲面具有控制光线角度和分配光强等优势特点，在实现 LED 均匀照明中被
广泛采用。我们知道发光二极管体积较小，其芯片大小一般为 1mm×1mm,因此可将 LED 视为
点光源进行配光设计，通过控制光线的发光角度，使光线均匀的分布在发光面上，根据多年的
研究经验表明，自由曲线透镜可实现 LED 均匀照明的效果，通过实验数据的具体分析，设计
自由曲面透镜具有重要的意义。自由曲面透镜的设计，不仅克服了 LED 自身存在的缺陷，同
时还提高 LED 光源的发光效率，进一步扩大LED 在社会生活中的应用范围。
三、自由曲面透镜设计方法。
顾名思义，自由曲面具有明显的不规则性，其曲面主要是自由实现的，难以用统一的表达公式
进行描述，因此在进行透镜设计时会具有一定的难度。目前，我国主要采用的自由曲面透镜设
计方法有两种，其中微分方程法最为普遍，其次便是划分网格法，除此之外还有其他的一些设
计方法，比如说SMS 方法、参数优化法。本文主要通过对划分网格法和微分方程法进行具体
分析，望能为同行业人士带来借鉴与参考。
（一）划分网格法。
1 划分网格法的简要概述。
划分网格法用于透镜设计非常的直观，主要是在遵守能量守恒原理的情况下，对 LED 光源和
其照明面进行同规则的分割，实现光源对应点与照明面的映射关系，之后通过迭代计算求解面
型数据。因此这种设计方法具有非常高的精准性，同时由于不需要误差分析，设计效率也较
高。
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LED均匀照明在自由曲面透镜设计中的应用研究近几年来，伴随着经济和科技的快速发展，各种新型光源被开发出来并得到了广泛应用，LED“”就是新型光源之一，其突出的特点就是绿色环保,不仅具有较高的发光效率，同时使用寿命也较传统光源多出近十倍以上。然而LED光源与朗伯光源类似，难以实现均匀照明，为了克服这一难题，需要对自由曲面透镜加以设计，通过自由曲面的构建实现LED的均匀照明。 一、LED光源特性的简单概述。LED是发光二极管的英文缩写，虽然同是固态的发光器件，但是它与传统光源有着明显不同，从材质上讲LED属于半导体材料，具有普通导体十倍以上的发光频率和百倍的响应速度，同时LED自身重量较轻且体积...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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