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LED光源的透镜规划办法ag88.com

作者:www.ag88.com时间:2018-09-04 11:04浏览:

  LED光源的透镜规划办法

  光学元件是很精细的元件,制造本钱较高,假如能削减元件的厚度,乃至做成片状透镜,则不光能够削减光学元件的标准,然后缩小灯具或其他设备的巨细,还能够节约资料,降低本钱。因为厚度削减,光吸收也削减,灯具或仪器功率也会随之进步,因而做成高质量的薄片形的光学零件一向是光学规划寻求的方针之一。

  菲涅尔(Fresnel)透镜是一种片状的薄形透镜,它一向以其轻、薄、价格低廉优势而在一些方面得到运用。但市场上的菲涅尔透镜多为等差半径的同心圆结构,其制造缺少准确的光学规划进程,导致成像质量不是很高,有的乃至仅仅简略的波纹结构,其光学质量就更差了。即使是较好的菲涅尔透镜,也是通常将一般透镜分为小段后,近似为折线,并通过不同间隔的简略平移而构成,这些规划办法上的缺陷构成了菲涅尔透镜的低质量。

  LED体积很小,但市场上出售的LED用杯状透镜大都厚度在10mm以上,这成为LED在某些场合运用的丧命问题,尽管能够用菲涅尔透镜来减薄透镜的厚度和削减光吸收,但怎么进行准确的光学规划却很少见到文献报导。

  本文介绍的是能取得准确的超薄锯齿形透镜的规划办法,其光学质量好,光线使用率较高。因为一般的菲涅尔透镜在理论上就存在糟蹋,即透过透镜的光线理论上就有一部分不能抵达规划的目的地,本办法得到的透镜对点光源来说理论上不存在糟蹋。此外,各个小锯齿之间的间隔也可根据需求而不同,并且在同一透镜中不同方位的锯齿间隔也可改动,然后使这种办法规划的锯齿形透镜有更广泛的习惯性,即它能够习惯不同的运用条件和不同的加工条件的需求。

  这种锯齿形透镜适用LED为光源的二次光学透镜。关于LED这种标准很小的光源,具有小而薄的光学透镜对错常有含义的。

  一、规划原理

  单个透镜一般是一个外表形状为曲面的通明资料,其作用是改动光线的方向,构成所需的光强空间散布。其缺陷是往往比较厚,因而体积大本钱高,并且吸收也就大,特别是曲率大的透镜更是如此。为简略计,举一个平凸透镜的比如,原始的平凹透镜见图1(a),相应地传统的菲涅尔透镜见图1(b),为了阐明原理,图中齿距画得比较大。

  


图1 传统菲涅尔透镜的构成原理

  
菲涅尔透镜的规划原理其实是用若干小面来替代整个接连的大曲面。图1(c)为传统菲涅尔透镜规划原理。图1(b)的锯齿状菲涅尔透镜的功用和图1(a)的原始透镜相同。传统的规划办法能够用图1(c)表明。实践上图1(b)的菲涅尔透镜能够看成是由图1(a)的透镜删去多个矩形部分,再把剩下部分往下移动成一个片状而成为菲涅尔透镜的。见图1(c),其间台阶状暗影就是被删去的多个矩形组成的部分。

  显着图1(b)这一菲涅尔透镜比透镜(a)要薄,然后吸收小,节约资料。但这种按传统办法规划的透镜只对平行光是正确的,这时(c)中暗影部分对光线是没有影响的。可是若对错平行光,如LED为光源时,(c)中的暗影部分对光线就有影响了。若把它删去制成菲涅尔透镜,就会构成很大的杂散光。此外,若透镜的截面用折线替代小弧线,也会带来光学上的差错。

  为了战胜上述缺陷,咱们提出用两种新的办法来规划菲涅尔透镜。这儿咱们针对单个LED来规划,对其他光源,规划原理是相同的,因而原则上也能够推行到其他光源。

  新办法的根本思想是让被删去的无效部分的边际沿着光线区分,并且有用的剩下部分移动时是沿着光线的,一起还按必定份额改动其标准,这样光线在透镜中传达时不会打到这些边际无效部分去,并且还将按原方向折射。这样就使得散射光削减,透镜的光学功率也就进步了。

  二、规划办法

  1、分视点法

  


图2 分视点法

  
咱们假定原始透镜的入射面为平面,出射面(图2中AB地点的面)为曲面。至于怎么规划原始曲面,则不在本文的触及规模之内。而新的出射面为咱们要规划的锯齿形。

  在本文中,咱们能够假定O点为光源通过入射面后的虚拟像点的方位,也就是光线由O点动身经出射面后抵达像面(透镜的作用能够不是成像而是照明)。这样咱们就把入射面的作用包含在内了。咱们能够将AB地点的曲面按对O点所张的视点区分红若干小段。图中AB就是其间的一个小段。咱们不是依照第一节中那样将这些小段笔直移动下来,而是将其沿光线方向移动,并且移动的一起按线性份额缩放。这样AB就缩放到了AB.依照线性光学原理,小面AB‘所构成的光线折射的方向与小面AB的是完全相同的,仅仅光线的方位有细小的差异。因为透镜标准比像距小得多,而OA与OA’之间的间隔差比像距更是个二级小量,因而咱们完全能够只关怀出射光线的视点规划前后不变而不关怀光线方位的细小改动,也就是说改动前后的小面将不对整个透镜的光学作用带来显着的不同,特别对照明用的透镜更是如此。

  此外,视点的区分能够是平等的,也能够是不等的,这两种状况都不影响光学作用。为了阐明问题,图2只将透镜分红了8份,实践上切割的数目越大透镜就能够越薄。不过,如下文所说,数目多了会带来新的问题。ag88.com

  可是能够看到,上述办法一个缺陷是透镜的锯齿厚度会不同,这可能会影响透镜的强度。下面提出另一种办法,能够做到锯齿厚度持平,尽管规划进程杂乱一些,但它不光能够战胜厚度不等的问题,并且消除杂散光。

  2、分厚度法

  

 

  

  

图3 分厚度法

  
图3与图2的原始透镜是相同的,但图3中把原始透镜在厚度方向按持平间隔区分红若干份(见图3的水平虚线),再用上末节分视点法中相同的办法把每一小段在沿光线移动的一起线性缩小,构成厚度根本相同的透镜。

  这一办法不光能够得到相同的锯齿深度,然后添加透镜的强度,并且与分视点法比较能够在相同齿数时削减厚度,或在相同厚度时削减锯齿数。由下面的剖析能够知道这一成果还能够使得透镜的杂散光削减,然后进步成像质量和光使用功率。

  还应该指出,一般状况入射和出射两个面中只需有一个面做成锯齿面就能够满意规划要求。假如期望入射面做成锯齿面而出射面做成平面,上述析也是相同的。例如能够使外外表是平滑面而内外表是锯齿面,这就能够防止尘埃堆集。更重要的是假如锯齿的那一面不是平面而是曲面,其成果是相同的。这样咱们就不仅能够做成平片状的菲涅尔透镜,也能够做成其他比如弧形瓦片状或碗形的菲涅尔透镜了。

  三、杂散光剖析

  由下面的剖析可知,新办法规划的锯齿透镜不光保留了原有办法的大大削减厚度的长处,并且能够削减因为加工差错引起的杂散光。

  因为在实践加工中,锯齿的顶级和底部不可能做到无限小,而是有必定圆角,这个圆角将会影响光线不能抵达应该抵达的当地,构成杂散光。图4是单个锯齿杂散光的模仿成果。

  

 

  

  

图4 单个锯齿杂散光的模仿成果

  
而杂散光的多少与加工的精度有关。假定锯齿的均匀宽度为d,锯齿顶级的圆角半径为r,并大略以为在r规模内的光变成了杂散光,光丢失的份额为r/d.例如锯齿宽为1mm,加工精度构成有的r为0.05mm,则光丢失为5%.这是菲涅尔透镜不得不有的光丢失,这也是菲涅尔透镜的缺陷。

  但相关于其他办法规划的菲涅尔透镜而言,新办法等厚度法能够相对削减这种丢失。其原因是等厚度法与其他办法比较时,在相同厚度的条件下能够有较少的锯齿数目,然后使得均匀宽度d更大,r/d相对更小,因而光丢失更少。

  进一步剖析知道,因为LED光源是在光轴部分的发光强度大,边际部分小,而分厚度法得到的锯齿恰恰是在中心部分比在边际部分有更大的齿距(见图3),因而在光强度大的当地丢失会少,即总体上能够有更少的光丢失。

  

 

  

  

图5 两个菲涅尔透镜的实例

  
将规划好的截面旋转或拉伸,就能够得到三维的透镜。图5为两个菲涅尔透镜的实例。拉伸得到的(a)可用于条形光斑,旋转得到的(b)可用于圆形光斑。

  
本规划办法用将抱负的光学外表切割、沿光线方向移动一起缩放的办法,在坚持透镜的抱负光学功能的一起使得光学丢失削减到最少,相对其他办法而言,能够得到更高的功率。本办法对光源标准很小的LED光源能够得到很好的作用。

  

  

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