广东省现代控制与光机电技术公共实验室 广州市光机电技术研究院 广州 510663
摘要：基于能量守恒定理和光线折射Ｓｎｅｌｌ定理，通过Ｍａｔｌａｂ编程计算出自由曲面透镜坐标点。借助Pro/Engineer软件和光学模拟软件Lighttools，模拟了自由曲面透镜的具体应用。本文针对LED芯片，实际设计了两种实例： LED点光源圆形光斑与矩形光斑的透镜设计。
关键词：LED；Snell；Matlab；Lighttools；Pro/E
一、引言
LED光源在应用过程中，由于光源本身光学设计问题导致的光效较低一直是业内讨论的热点。为了使 LED 芯片发出的光能够更好地输出，得到最大程度地利用，并且在照明区域内满足一定的设计要求，便需要对 LED光源 进行光学系统的设计。通常在封装过程中的设计被称为一次光学设计，而在 LED 之外进行的光学设计被称为二次光学设计，也叫做二次配光设计。LED 二次光学设计主要考虑的是光通量、光强、照度及亮度，这些是属于新兴学科——非成像光学的研究范围。在非成像光学中，评判系统性能的优劣不再适用于成像光学中的像差理论和成像质量，而是把光能利用率作为系统的评价标准。
二次光学设计主要有直接经验法、数学建模法两种设计方法。其中直接经验法对理论知识与数学功底要求不高，但是需要反复调整修正，大大增长的设计的时间。相比之下数学建模法可以节约很多时间，但是对光学理论知识要求较高，并且需要扎实的数学功底。本文中主要讨论第二种方法进行二次光学设计，目的是将 LED 发出的光线最大限度地利用起来并满足照明要求，并对结果进行分析。
在现有条件下，面向 LED 照明系统的光学设计流程大体上可分为：确定设计条件和要求、理论计算、设计模型、光学系统仿真及模拟结果等几个环节。理论计算主要通过MATLAB软件进行，模型的设计可以在PROE软件中实现，系统仿真与结果分析的工具有LIGHTTOOLS软件。
本文针对LED光源进行了大角度照度均匀分布的设计。
二、理论基础
在设计之前，我们先讨论几个基础概念加以区分：
1光强分布
目前研究的大部分的 LED 光源是朗伯分布的，法向方向的光强度最大，随偏离法向方向的角度的增加而逐渐减小，其光强分布呈余弦分布，即
四、结论
由以上两种方法可见，用本方法进行光源的二次设计，均能使得照明均匀，符合基本设计要求。但由于圆形光斑构建透镜自由曲面的对称性更好，使得运算出的模拟结果显示光能率利用率较特殊形状如矩形光斑更高。对于特殊形状光斑，在设计中注意各个方向的自由曲面的曲率半径要按照一定的规律变化进行调整，尽可能增加相邻极向角度范围内的所有光通量，增大光能利用率。
参考文献
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论文作者:范力维,高军翔,郑欢,林琦,冯严霄
论文发表刊物:《电力技术》2016年第3期
论文发表时间:2016/7/14
标签：光学论文; 透镜论文; 曲面论文; 光斑论文; 光源论文; 自由论文; 光能论文; 《电力技术》2016年第3期论文;