讓LED定向照明：同步多曲面

　　接下來(lái)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(xiàn)11和光線(xiàn)12延長(cháng)線(xiàn)的交點(diǎn)，以及光線(xiàn)13和光線(xiàn)14延長(cháng)線(xiàn)的交點(diǎn)。

　　為使所有經(jīng)曲面NQ全反射后的光線(xiàn)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；S09為從曲面CD出射，由波前分別為w1和w2的所有光線(xiàn)組的交點(diǎn)在垂直于光軸的平面內形成的投影面積；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(xiàn)組的交點(diǎn)在垂直于光軸平面內形成的投影面積。在選取點(diǎn)H，時(shí)，要求點(diǎn)H1的橫坐標滿(mǎn)足上式且大于點(diǎn)M的橫坐標（便于加工時(shí)開(kāi)模）；點(diǎn)H，應位于曲線(xiàn)FM的下方；曲線(xiàn)TV在點(diǎn)Ho處的法線(xiàn)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(xiàn)T、，在點(diǎn)H0處的法線(xiàn)之后，可進(jìn)行曲面TV和曲面NQ的求解。

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

　　為方便加工，用線(xiàn)段連接點(diǎn)E和點(diǎn)F，點(diǎn)E的橫坐標應大于點(diǎn)F的橫坐標；用線(xiàn)段連接點(diǎn)M和點(diǎn)N。然后旋轉投射器的輪廓曲線(xiàn)，得到投射器三維模型，至此投射器設計完成。

　　5 設計實(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2。

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

　　根據上述分析，將計算所得的各輪廓曲線(xiàn)上的點(diǎn)導人UG進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，然后將擬合生成的輪廓曲線(xiàn)繞光軸旋轉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入Tracepro，并對LED出射光進(jìn)行光線(xiàn)追跡。圖9為系統的光線(xiàn)追跡圖，I類(lèi)為L(cháng)ED出射光經(jīng)投射器作用后分布在預定的光分布范圍內的光束，Ⅱ類(lèi)為L(cháng)ED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處目標平面的照度分布圖。

　　模擬分析結果表明：

　?。?）系統結構十分緊湊。

　?。?）系統的效率大于圖9系統光線(xiàn)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光能的吸收引起的。

　?。?）投射器有效地實(shí)現了對LED全部出射光的收集和定向控制。

　　6 結論

　　本文提出了一種實(shí)現對大功率LED出射光有效收集和定向控制的投射器設計方法。根據LED的出射光分布、預定的光分布范圍及光學(xué)擴展量守恒定律，利用同步多曲面方法求得各折射面和全反射面輪廓曲線(xiàn)上的點(diǎn)。在UG中首先對已求點(diǎn)進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，并通過(guò)旋轉擬合曲線(xiàn)得到投射器模型以及適合數控加工的面形數據，然后再將該模型導入Tracepro光學(xué)設計專(zhuān)用軟件。對u、D出射光進(jìn)行光線(xiàn)追跡，并對系統的效率進(jìn)行了分析研究。用該種方法設計的定向投射器結構緊湊、光能傳輸效率高，能有效收集和定向控制UD的全部出射光。