基于zemax的led遠(yuǎn)場照明自由曲面透鏡設(shè)計

基于zemax的led遠(yuǎn)場照明自由曲面透鏡設(shè)計

0基于led光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計與傳統(tǒng)光源相比，靜態(tài)生活時間短、色澤好、光效高、近點光源、亮度強、色澤鮮艷、色澤鮮艷等優(yōu)點。作為一種下一代綠色光源，lago燈目前廣泛應(yīng)用于各種室內(nèi)和室外照明領(lǐng)域，如背光源、大屏幕、汽車和特種照明。由于lago燈光源發(fā)出的光類似于朗伯特，光線強度分布在多余的樹枝上，因此無法直接用于照明。為了提高系統(tǒng)的性能，根據(jù)不同的應(yīng)用場景和需求，設(shè)計不同的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)能，并合理分配綠色芯片的光能。基于LED照明的光學(xué)設(shè)計主要是通過自由曲面來重新配光以實現(xiàn)所需照明.自由曲面光學(xué)器件目前主要有兩種設(shè)計方法:一種是試錯法,通過反復(fù)修改光學(xué)器件參量并用光學(xué)軟件來模擬驗證相應(yīng)的照明結(jié)果,從而獲取理想的自由曲面面型,但較為費時;另一種是數(shù)值解法,根據(jù)能量守恒原理,通過求解微分方程來得到自由曲面的面型數(shù)據(jù),但求解過程需要建立折射定律方程、曲率關(guān)系方程、積分條件等數(shù)個矢量方程組,建模的過程采用了微分幾何,方程的求解過程對數(shù)學(xué)要求很高.本文結(jié)合數(shù)值解法和試錯法,在ZEMAX的序列模式下利用多重組態(tài)建立結(jié)構(gòu).通過實際光線追跡,得到光線在出射面的角度分布,并利用宏命令編寫自定義優(yōu)化函數(shù),對非成像系統(tǒng)進(jìn)行自動優(yōu)化,節(jié)約了優(yōu)化時間,避免了復(fù)雜的計算過程.該方法不僅適用于點光源而且對面光源也是有效的.1透射全反射組合結(jié)構(gòu)的原理針對LED照明的光學(xué)準(zhǔn)直器主要有兩種,菲涅爾透鏡和內(nèi)部全反射(TotalInternalReflection,TIR)準(zhǔn)直器.透鏡是利用折射原理,改變光源的光束角.由于材料的折射率有限,透鏡的孔徑角很小,一般在50°以下,而反射鏡的孔徑角可以達(dá)到130°以上.為實現(xiàn)光源大視場角照明,本文采用透射全反射組合結(jié)構(gòu)以提高光的利用效率.1.1旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的偶聯(lián)非球面和二次曲面系統(tǒng)設(shè)計采用旋轉(zhuǎn)對稱的透射-全反射組合結(jié)構(gòu),如圖1.圖中與光軸夾角為θc,虛線把透鏡分為兩部分:虛線以外為全反射部分,以內(nèi)為透射部分.全反射部分由自由曲面②、③和④組成,最大可能地提高了光的利用效率.透射部分包括平面①和自由曲面⑤,是一平凸非球面透鏡.該部分光線直接通過透鏡進(jìn)行折射,增加了中心區(qū)域的光強度.目前超精密注塑成型技術(shù)和玻璃模壓成型技術(shù)的飛速發(fā)展,最大限度地降低了非球面加工的成本,為廣泛使用非球面提供了極為有利的條件.從廣義上來講,除了球面和平面以外的其他表面都可以稱為非球面.非球面是自由曲面中最簡單的形式.在大多數(shù)情況下,光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用較多的是高次非球面,即在球面或者二次曲面的基礎(chǔ)上做一些微小變形,因而一般采用在二次曲面上附加變形的表示方法來表示旋轉(zhuǎn)對稱非球面.在光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX中,旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的偶次非球面方程為z=cr21+1?(1+k)c2r2√+α1r2+α2r4+α3r6+α4r8+α5r10+?(1)z=cr21+1-(1+k)c2r2+α1r2+α2r4+α3r6+α4r8+α5r10+?(1)式中z=cr21+1?(1+k)c2r2√z=cr21+1-(1+k)c2r2為基準(zhǔn)面的二次曲面方程,c為非球面頂點處的曲率,r為徑向坐標(biāo)(即非球面上任一點到光軸的距離),k為二次曲線常量Δz=α1r2+α2r4+α3r6+α4r8+α5r10+…為非球面與基準(zhǔn)二次曲面的偏移量.1.2多重組態(tài)結(jié)構(gòu)的建立根據(jù)上述透鏡的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模.為了使透鏡簡單化以便降低加工成本,圖1中自由曲面都采用非球面進(jìn)行設(shè)計.選取透鏡材料為PMMA,可以采用注塑成型技術(shù),適于大規(guī)模量產(chǎn).主要技術(shù)參量如表1.由于在Zemax軟件中不能直接構(gòu)建圖1所示的非球面透鏡整體,可以在Zemax的非序列模式下,對4個非球面逐一設(shè)計并采用布爾運算.但這樣做比較復(fù)雜,而且在Zemax非序列模式下進(jìn)行優(yōu)化費時費力,很難得到理想的結(jié)果.因此,可嘗試在Zemax軟件的序列模式中使用多重組態(tài)來進(jìn)行建模優(yōu)化.在多重組態(tài)結(jié)構(gòu)中,非球面透鏡結(jié)構(gòu)可定義為三組態(tài)系統(tǒng).其中,透射部分作為一個組態(tài),全反射部分用關(guān)于光軸對稱的兩個組態(tài)模擬.根據(jù)折反射部分的分界角θc、透鏡的中心厚度、材料的折射率等設(shè)計參量要求,根據(jù)光線行為,給出各面的傾斜偏移量與曲率半徑使各部分光線均能到達(dá)像面,作為系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu).1.2.1初始結(jié)構(gòu)參量的選取中間透射部分的設(shè)計與一般的非球面透鏡的設(shè)計類似,根據(jù)技術(shù)參量要求在透鏡數(shù)據(jù)編輯表單(LDE)中給出初始結(jié)構(gòu)參量.在透射部分,從LED出射的與光軸夾角±θc范圍內(nèi)的光,經(jīng)過平凸非球面透鏡的折射后,沿與光軸平行的方向出射,即光線在表面⑤處的出射光線與Z軸夾角的理論值為零.設(shè)透射部分的最大光斑為R,如圖2.1.2.2非球面折射的基礎(chǔ)由多重組態(tài)編輯窗口,在第一組態(tài)的基礎(chǔ)上建立第二組態(tài),如圖3.該部分的光線首先經(jīng)過透鏡后表面的②非球面折射之后,由側(cè)面的③全反射面進(jìn)行全反射,這部分的反射光再經(jīng)過④非球面折射,光線同樣以與光軸平行的方向出射.其中設(shè)θ=π/2的光線反射到距離目標(biāo)面中心為R的位置,θ=θc的光線反射到目標(biāo)面的邊緣位置.2非球面透鏡的優(yōu)化設(shè)計2.1zemx的編寫依賴結(jié)構(gòu)傳遞參量雖然在ZEMAX中有內(nèi)置的操作數(shù)可以控制光線的出射角度,但只能對單一光線進(jìn)行控制.當(dāng)追跡的光線數(shù)增多時,優(yōu)化函數(shù)顯得冗長.為了實現(xiàn)任意光線數(shù)的優(yōu)化,利用宏語言編寫自定義優(yōu)化函數(shù).ZEMAX宏命令的編寫依賴結(jié)構(gòu)傳遞參量:JC為透射與全反射部分的分界角;Jmax為光源的發(fā)散半角;Dot為優(yōu)化的點數(shù)(可以設(shè)任意值);Ji為光線的入射角;Py為單位化的光闌坐標(biāo);J1為光線在出射面的弧度值;D1為光線在出射面的角度值.在ZEMAX中,光線追跡路徑由單位化的視場坐標(biāo)和光瞳坐標(biāo)決定.對于點光源的優(yōu)化,視場坐標(biāo)都為零.因此,二維平面內(nèi)的光線追跡僅取決于光闌坐標(biāo)的py值.考慮到系統(tǒng)建模設(shè)計中取物體的圓錐角作為孔徑類型,因此單位化的光闌坐標(biāo)由光線的入射角與光源的圓錐角決定.光線入射角與光闌的示意如圖4.2.2基于最小二乘法的二維截面系統(tǒng)的優(yōu)化根據(jù)ZEMAX宏語言編寫自定義優(yōu)化函數(shù)為設(shè)置非球面的曲率半徑、二次曲線常量、非球面系數(shù)和面間厚度等參量作為變量,采用最小二乘法進(jìn)行自動優(yōu)化,優(yōu)化后透鏡的具體參量如表2和3,相應(yīng)的二維截面圖如圖5.最后在照明設(shè)計軟件中模擬光學(xué)系統(tǒng),通過分析追跡光線,得到發(fā)光強度分布、光能利用率等照明質(zhì)量的評價指標(biāo),進(jìn)一步檢驗該方法是可行的.3系統(tǒng)的模擬仿真透鏡的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計完成后,根據(jù)ZEMAX序列模式中透鏡的基本參量,利用UG軟件進(jìn)行3D結(jié)構(gòu)建模,并將透鏡導(dǎo)入照明設(shè)計軟件TracePro進(jìn)行光學(xué)模擬.通過點光源的模擬仿真,驗證優(yōu)化函數(shù)的正確性,模擬結(jié)果如圖6.另外,對于該透鏡結(jié)構(gòu)采用面光源模擬,觀察面光源下的發(fā)光強度分布如圖7.模擬過程中分別采用朗伯發(fā)光的半徑為0.01mm的點光源和0.5mm的面光源來模擬,模擬計算100萬條光線,接收面在距離光源1m處的位置,計算過程中考慮了菲涅耳損失.圖6和圖7為系統(tǒng)仿真模擬的發(fā)光強度圖.圖中,點光源的光能利用率為87%,光線準(zhǔn)直最大偏角小于0.1°;面光源的光能利用率為79%,準(zhǔn)直系統(tǒng)的發(fā)散半角小于2.8°.根據(jù)模擬分析數(shù)據(jù)可知:在ZEMAX的序列模式下,通過宏語言編寫的自定義優(yōu)化函數(shù),對系統(tǒng)進(jìn)行自動優(yōu)化后,實現(xiàn)了比較高的光能利用率,得到了比較好的準(zhǔn)直性.另外,對點光源優(yōu)化后的結(jié)果在一定準(zhǔn)確度范圍內(nèi)也適用于面光源,可以作為面光源的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化.與數(shù)值計算方法相比,該方法利用ZEMAX自動優(yōu)化的優(yōu)勢,通過尋找最優(yōu)的非球面相關(guān)參量,可實現(xiàn)更好的準(zhǔn)直效果.相比于非序列模式,序列模式的優(yōu)化速度快、建模簡單,更為重要的是設(shè)計自由度高、變量多,從而使優(yōu)化設(shè)計結(jié)