讓LED定向照明：同步多曲面

　　接下來求解第二組曲面。初始條件是點Ho和點H1。點H1的確定如圖7所示，點G3和點G4分別為光線11和光線12延長線的交點，以及光線13和光線14延長線的交點。

　　為使所有經(jīng)曲面NQ全反射后的光線從曲面EC出射，要求了

式中：z3和z4分別為點G3和點G4的橫坐標；S09為從曲面CD出射，由波前分別為w1和w2的所有光線組的交點在垂直于光軸的平面內(nèi)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：的所有光線組的交點在垂直于光軸平面內(nèi)形成的投影面積。在選取點H，時，要求點H1的橫坐標滿足上式且大于點M的橫坐標（便于加工時開模）；點H，應(yīng)位于曲線FM的下方；曲線TV在點Ho處的法線與z軸正向的夾角較大（一般在3rad左右）。在確定點Hl并求得曲線T、，在點H0處的法線之后，可進行曲面TV和曲面NQ的求解。

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

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

　　5 設(shè)計實例與模擬分析

　　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(cè)2。

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

　　根據(jù)上述分析，將計算所得的各輪廓曲線上的點導人UG進行曲線擬合，然后將擬合生成的輪廓曲線繞光軸旋轉(zhuǎn)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出射光進行光線追跡。圖9為系統(tǒng)的光線追跡圖，I類為LED出射光經(jīng)投射器作用后分布在預(yù)定的光分布范圍內(nèi)的光束，Ⅱ類為LED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(jié)果表明：

　?。?）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分緊湊。

　　（2）系統(tǒng)的效率大于圖9系統(tǒng)光線追跡圖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。

　?。?）投射器有效地實現(xiàn)了對LED全部出射光的收集和定向控制。

　　6 結(jié)論

　　本文提出了一種實現(xiàn)對大功率LED出射光有效收集和定向控制的投射器設(shè)計方法。根據(jù)LED的出射光分布、預(yù)定的光分布范圍及光學擴展量守恒定律，利用同步多曲面方法求得各折射面和全反射面輪廓曲線上的點。在UG中首先對已求點進行曲線擬合，并通過旋轉(zhuǎn)擬合曲線得到投射器模型以及適合數(shù)控加工的面形數(shù)據(jù)，然后再將該模型導入Tracepro光學設(shè)計專用軟件。對u、D出射光進行光線追跡，并對系統(tǒng)的效率進行了分析研究。用該種方法設(shè)計的定向投射器結(jié)構(gòu)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。