一种基于自由曲面的LED准直透镜设计
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］ １ 。 场合 ［
其发光角 度 比 较 大 ， 为了使光束平行出射以提高 令 聚 焦 更 准 确， 减少光散 Ｌ Ｅ Ｄ 手电 的 远 射 性 能 、 射， 减少硬光下的光 斑 现 象 使 得 光 线 更 加 柔 和 ， 很 多工程设计者尝试 通 过 设 计 基 于 自 由 曲 面 的 二 次
２ ３］ 光学透镜来 改 善 出 光 效 果 ［ ， 即透镜和封装后的
中图分类号 ： ： ／ ＴＮ ３ １ ２． ８ 文献标志码 ： Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ５ ７ ６ ８ Ｊ ＡＯ ２ ０ １ ２ ３ ３． ０ ６ ０ １ ０ １ ０
犔 犈 犇犮 狅 犾 犾 犻 犿 犪 狋 犻 狀 犾 犲 狀 狊犫 犪 狊 犲 犱狅 狀犳 狉 犲 犲 犳 狅 狉 犿狊 狌 狉 犳 犪 犮 犲 犵
应用光学 ２ （ ） 等： 一种基于自由曲面的 Ｌ ０ １ ２， ３ ３ ６ Ｅ Ｄ 准直透镜设计 周 镇，
·１ ０ ５ ９·
物理量 ， 使其在以 Ｌ Ｅ Ｄ 为光源的照明系统中具有 极大的应用价值 。 目前 Ｌ Ｅ Ｄ 二次光学设计方法主要有以下两 经 验 法 和 方 程 求 解 法。 经 验 法 主 要 是 通 过 种： Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ等三维机械建模软 件 绘 制 出 光 学 元 件 的结构 ， 将设计 的 结 构 导 入 Ｔ ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏ等光学模拟 通过非序列光线追迹来判断照明面 分析软件 中 ， 上的照度分布以 及 整 个 系 统 的 光 强 分 布 。 由 于 这 设计者们往往需要多次修 种设计的 随 意 性 很 强 ， 改光学元件的结构 ， 多 次 模 拟 来 完 成 设 计， 此类方 法并不需 要 太 多 的 理 论 计 算 ， 经验往往成为了一 个至关重要的因 素 。 方 程 求 解 法 是 通 过 求 解 一 组 方程来设 计 自 由 曲 面 的 方 法 ， 此方程组往往是基 于光源 的 发 光 特 性 和 所 需 实 现 的 照 明 需 求 建 立 的， 其未知数为曲面 上 各 点 的 坐 标 ， 因此通过求出 即可得到自由曲面的面 方程的解 析 解 或 数 值 解 ， 型数据并 实 现 所 需 的 照 明 ， 免去了反复试验所需 提高了设计效率 的时间 ，
收稿日期 ： ２ ０ １ ２ ０ ５ ０ ７； ２ ０ １ ２ ０ ７ １ ０ 修回日期 ： 作者简介 ： 周镇 （ ， 男， 湖北武汉人 ， 硕Biblioteka Baidu研究生 ， 主要从事 Ｌ １ ９ ８ ６－ ） Ｅ Ｄ 照明系统设计 。 ： Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｈ ｏ ｕ ｅ ｎ ｚ ｚ ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ＠１
］ ７ 。 本文将以透镜设计为手段来实现 Ｌ 用［ Ｅ Ｄ 远光
手电的特种照明 。 １． １ 自由曲面轮廓曲线方程的建立 建立如图２所 示 的 坐 标 系。设 Ｌ Ｅ Ｄ光源位 透 镜 前 表 面 为 平 面， 透镜后表面 于坐标系 原 点， 为自 由 曲 面 ， 也是我们需要设计的曲面， 图 ２ 中犪 为Ｌ Ｅ Ｄ 发出的任 意 光 线 １ 在 透 镜 前 表 面 的 入 射 角， 犫为 入 射 光 线 １ 经 透 镜 前 表 面 折 射 后 的 折 射 角， 犮为 折 射 光 线 ２ 在 透 镜 后 表 面 的 入 射 角 ， 犱为 折射光线 ２ 经 透 镜 后 表 面 折 射 后 的 折 射 角。 设 点犘 为透镜后表面轮廓曲线上任意一 狓 狔 狀（ 狀， 狀） 我们的 目 标 是， 在设定的参数条件下求出使 点， 最终光线 ３ 准 直 出 射 的 透 镜 后 表 面 轮 廓 曲 线 的 解析方程或离散数据点。
］ ６ 并不适用 ［ 。
图 ２ Ｌ Ｅ Ｄ 准直透镜分析模型示意图 犉 犻 ． ２ 犛 犮 犺 犲 犿 犲狅 犳犔 犈 犇犮 狅 犾 犾 犻 犿 犪 狋 犻 狀 犾 犲 狀 狊犪 狀 犪 犾 狊 犻 狊犿 狅 犱 犲 犾 犵 犵 狔
。
本 文 提 出 了 一 种 自 由 曲 面 设 计 算 法， 并通过 一个实例设计了一 款 Ｌ 经光学模拟 Ｅ Ｄ 准 直 透 镜， 此透镜完 全 达 到 了 设 计 要 求 ， 实现了理 研究表明 ， 想的准直效果 。
１ 实现准直光束的平凸透镜设计
对于 Ｌ 主要采用反光杯与 Ｅ Ｄ 照 明 光 学 系 统， 透镜两种方式 。 反 光 杯 主 要 应 用 于 Ｌ 探 Ｅ Ｄ 手 电、 照灯等需要聚光 或 准 直 光 束 照 明 的 场 合 。 准 直 型 反光杯内 表 面 通 常 为 旋 转 抛 物 面 ， 为了获得准直 光束 ， 通常将 Ｌ 这 Ｅ Ｄ 光源置于抛物面焦点的位置 ， 样在理论 上 就 可 以 获 得 完 全 准 直 的 光 束 ， 但是在 由 于 反 光 杯 高 度 的 限 制， 从朗伯 实际应用过程中 ， 型分布的 Ｌ Ｅ Ｄ 中发出的小角度光束不会入射到反 光杯内表 面 而 是 直 接 出 射 ， 使得这部分光束仍保 反光杯高度 持原有的 出 射 方 向 而 没 有 受 到 控 制 ， 越低 ， 直接出射的光束越多 ， 出光角越大 ， 如图１ 所 示 。 通过反光杯获得 准 直 光 束 的 设 计 方 法 在 实 际 应用中受 到 反 光 杯 高 度 的 限 制 ， 不能形成真正意 在一些光学系统高度受限的应用场合 义的准直 ，
Ｌ Ｅ Ｄ 配合使用 。 自由曲面以 其灵活 的空 间 布 局 和 设计自由度 ， 使得光 学 系 统 的 结 构 得 到 了 简 化 ， 尤 其在照明 光 学 系 统 的 设 计 中 ， 自由曲面不仅可以 自由分配光强 ， 而且 可 以 控 制 光 线 角 度 、 光程差等
在远距离照明时 对 手 电 的 出 射 角 度 要 求 比 较 高， 而大多数 Ｌ Ｅ Ｄ 的光强分布近似为朗伯型分布 ，
［ ］ ４ ５
图 １ 反光杯出光示意图 犉 犻 ． １ 犛 犮 犺 犲 犿 犲狅 犳 狉 犲 犳 犾 犲 犮 狋 犻 狏 犲犮 狌 狌 狋 狌 狋 犾 犻 犺 狋 犵 狆狅 狆 犵
透镜作为 Ｌ Ｅ Ｄ 照明另一种主要的光形控制手 不但 能 产 生 会 聚 光 束 ， 同时也能产生发散光 段， 束， 并且可以对 Ｌ Ｅ Ｄ 发出的各个角度的光束进行 有效控制 ， 设计自 由 度 大 ， 实 现 方 式 灵 活。 尤 其 是 使 随着近几年 Ｌ Ｅ Ｄ 照 明 用 自 由 曲 面 透 镜 的 兴 起， 得各种 非 圆 对 称 光 斑 的 设 计 变 得 更 加 灵 活 与 便 捷， 因此透镜在 Ｌ Ｅ Ｄ 照明中得到了越来越多的应
第３ ３卷 第６期 ２ ０ １ ２年１ １月
应 用 光 学 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆＡ ｌ ｉ ｅ ｄＯ ｔ ｉ ｃ ｓ ｐ ｐ ｐ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ３Ｎ ｏ ． ６ Ｎ ｏ ｖ ． ２ ０ １ ２
文章编号 ： （ ） １ ０ ０ ２ ２ ０ ８ ２ ２ ０ １ ２ ０ ６ １ ０ ５ ８ ０ ５
， Ｚ ＨＯＵ Ｚ ｈ ｅ ｎ， Ｓ ＵＣ ｈ ｅ ｎ ｕ ｅ， Ｆ ＵＱ ｉ ａ ｎ Ｚ ＨＡＮＧ Ｃ ｈ ｕ ｎ ｈ ｕ ａ ｇ ｙ
（ ， Ｆ ａ ｃ ｕ ｌ ｔ ｆＰ ｈ ｓ ｉ ｃ ｓａ ｎ ｄＯ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃＥ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｇ ｕ ａ ｎ ｄ ｏ ｎ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｙ ｐ ｇ ｇ ｇ ｇＵ ｙ ， ） ｏ ｆＴ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｇ ｕ ａ ｎ ｚ ｈ ｏ ｕ５ １ ０ ０ ０ ６， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｇ ｙ ｇ
引言
具 有 体 积 小、 质量 Ｌ Ｅ Ｄ 为半 导 体 固 体 光 源 ， 耗能少 、 寿 命 长、 响应时间短以及抗震性能好 轻、 等优点 ， 尤其是其抗 震 动 能 力 ， 可以经受住各种剧 烈的抖动和碰撞 ， 这一特性使得 Ｌ Ｅ Ｄ 手电特别适 用于军队 、 警 察、 保 安、 户外探险等特种照明使用
一种基于自由曲面的 Ｌ Ｅ Ｄ 准直透镜设计
周 镇， 苏成悦 ， 付 倩， 张春华
（ 广东工业大学 物理与光电工程学院 ， 广东 广州 ５ ） １ ０ ０ ０ ６
摘 要： 提出一种能实现准直光束 照 明 的 自 由 曲 面 透 镜 设 计 算 法 ， 并基于此算法设计一种以单 颗Ｌ 利用迭代方 Ｅ Ｄ 为光源的准直透镜 。 通过建 立 透 镜 后 表 面 轮 廓 曲 线 上 的 点 所 满 足 的 方 程 ， 将数据点导入 Ｓ 法并结合 Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 编程求出自由曲面轮廓曲线的离 散数 据 点 ， ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ中 进 行 进而得到透镜的实体模型 。 在 Ｔ 模 曲线拟合并建模 ， ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏ中 对 该 透 镜 进 行 非 序 列 光 线 追 迹， 拟结果表明 ： 该光学系统能够实现均匀照明 ， 并对最终光线可实现准直出射 。 关键词 ： 二次光学 ； 自由曲面 ； 准直透镜 ； 非序列光线 Ｌ Ｅ Ｄ；
： 犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 Ａｄ ｅ ｓ ｉ ｎａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍｔ ｈ ａ ｔ ｃ ａ ｎｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅｃ ｏ ｌ ｌ ｉ ｍ ａ ｔ ｉ ｎ ｅ ａ ｍｏ ｆ ｌ ｉ ｈ ｔｗ ａ ｓｐ ｒ ｏ ｏ ｓ ｅ ｄｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｇ ｇ ｇｂ ｇ ｐ ， ａ ｎ ｄａ ｎｉ ｌ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｔ ｉ ｃ ａ ｌｓ ｓ ｔ ｅ ｍｆ ｏ ｒａｓ ｉ ｎ ｌ ｅＬ Ｅ Ｄｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅｗ ａ ｓｄ ｅ ｏ ｎｆ ｒ ｅ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｌ ｅ ｎ ｓ ｐ ｙ ｇ ｓ ｉ ｎ ｅ ｄｂ ａ ｓ ｅ ｄｏ ｎｔ ｈ ｅａ ｌ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍ． Ｔ ｈ ｅｅ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓｏ ｆ ｔ ｈ ｅｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓｏ ｎｔ ｈ ｅｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｌ ｅｃ ｕ ｒ ｖ ｅａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｔ ｈ ｅｂ ａ ｃ ｋ ｇ ｇ ｑ ， ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｅ ｎ ｓｗ ｅ ｒ ｅ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ． Ｂ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｉ ｔ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｖ ｅｍ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄａ ｎ ｄＭ ａ ｔ ｌ ａ ｂｐ ｒ ｏ ｒ ａ ｍｍ ｉ ｎ ａ ｙｕ ｇ ｇ ｇ ｎ ｕ ｍ ｂ ｅ ｒｏ ｆ ｄ ｉ ｓ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅｐ ｏ ｉ ｎ ｔ ｓｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｆ ｒ ｅ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍｐ ｒ ｏ ｆ ｉ ｌ ｅ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅｗ ｅ ｒ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄａ ｎ ｄ ｆ ｉ ｔ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏｏ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｅ ｎ ｐ ｔ ｉ ｔ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅＳ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｓｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｎｔ ｈ ｅｏ ｔ ｉ ｃ ａ ｌｅ ｎ ｔ ｉ ｔ ａ ｓｉ ｍ ｏ ｒ ｔ ｅ ｄｉ ｎ ｔ ｏＴ ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏｓ ｏ ｆ ｔ ｙｗ ｐ ｙｗ ｐ ｗ ａ ｒ ｅ ｆ ｏ ｒｎ ｏ ｎ ｓ ｅ ｕ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｒ ａ ｒ ａ ｃ ｉ ｎ ． Ｔ ｈ ｅｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅｏ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍｃ ａ ｎａ ｑ ｙｔ ｇ ｐ ｙ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍｉ ｌ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｎ ｄｃ ｏ ｌ ｌ ｉ ｍ ａ ｔ ｅｂ ｅ ａ ｍ． ： ； ； ； 犓 犲 狅 狉 犱 狊 Ｌ Ｅ Ｄ； ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ａ ｒ ｔ ｉ ｃ ｓ ｆ ｒ ｅ ｅ ｆ ｏ ｒ ｍｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｃ ｏ ｌ ｌ ｉ ｍ ａ ｔ ｉ ｎ ｌ ｅ ｎ ｓ ｎ ｏ ｎ ｓ ｅ ｕ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｌ ｒ ａ ｙｏ ｐ ｇ ｑ ｙ 狔狑
其发光角 度 比 较 大 ， 为了使光束平行出射以提高 令 聚 焦 更 准 确， 减少光散 Ｌ Ｅ Ｄ 手电 的 远 射 性 能 、 射， 减少硬光下的光 斑 现 象 使 得 光 线 更 加 柔 和 ， 很 多工程设计者尝试 通 过 设 计 基 于 自 由 曲 面 的 二 次
２ ３］ 光学透镜来 改 善 出 光 效 果 ［ ， 即透镜和封装后的
中图分类号 ： ： ／ ＴＮ ３ １ ２． ８ 文献标志码 ： Ａ 犱 狅 犻 １ ０． ５ ７ ６ ８ Ｊ ＡＯ ２ ０ １ ２ ３ ３． ０ ６ ０ １ ０ １ ０
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应用光学 ２ （ ） 等： 一种基于自由曲面的 Ｌ ０ １ ２， ３ ３ ６ Ｅ Ｄ 准直透镜设计 周 镇，
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物理量 ， 使其在以 Ｌ Ｅ Ｄ 为光源的照明系统中具有 极大的应用价值 。 目前 Ｌ Ｅ Ｄ 二次光学设计方法主要有以下两 经 验 法 和 方 程 求 解 法。 经 验 法 主 要 是 通 过 种： Ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ等三维机械建模软 件 绘 制 出 光 学 元 件 的结构 ， 将设计 的 结 构 导 入 Ｔ ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏ等光学模拟 通过非序列光线追迹来判断照明面 分析软件 中 ， 上的照度分布以 及 整 个 系 统 的 光 强 分 布 。 由 于 这 设计者们往往需要多次修 种设计的 随 意 性 很 强 ， 改光学元件的结构 ， 多 次 模 拟 来 完 成 设 计， 此类方 法并不需 要 太 多 的 理 论 计 算 ， 经验往往成为了一 个至关重要的因 素 。 方 程 求 解 法 是 通 过 求 解 一 组 方程来设 计 自 由 曲 面 的 方 法 ， 此方程组往往是基 于光源 的 发 光 特 性 和 所 需 实 现 的 照 明 需 求 建 立 的， 其未知数为曲面 上 各 点 的 坐 标 ， 因此通过求出 即可得到自由曲面的面 方程的解 析 解 或 数 值 解 ， 型数据并 实 现 所 需 的 照 明 ， 免去了反复试验所需 提高了设计效率 的时间 ，
收稿日期 ： ２ ０ １ ２ ０ ５ ０ ７； ２ ０ １ ２ ０ ７ １ ０ 修回日期 ： 作者简介 ： 周镇 （ ， 男， 湖北武汉人 ， 硕Biblioteka Baidu研究生 ， 主要从事 Ｌ １ ９ ８ ６－ ） Ｅ Ｄ 照明系统设计 。 ： Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｈ ｏ ｕ ｅ ｎ ｚ ｚ ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ＠１
］ ７ 。 本文将以透镜设计为手段来实现 Ｌ 用［ Ｅ Ｄ 远光
手电的特种照明 。 １． １ 自由曲面轮廓曲线方程的建立 建立如图２所 示 的 坐 标 系。设 Ｌ Ｅ Ｄ光源位 透 镜 前 表 面 为 平 面， 透镜后表面 于坐标系 原 点， 为自 由 曲 面 ， 也是我们需要设计的曲面， 图 ２ 中犪 为Ｌ Ｅ Ｄ 发出的任 意 光 线 １ 在 透 镜 前 表 面 的 入 射 角， 犫为 入 射 光 线 １ 经 透 镜 前 表 面 折 射 后 的 折 射 角， 犮为 折 射 光 线 ２ 在 透 镜 后 表 面 的 入 射 角 ， 犱为 折射光线 ２ 经 透 镜 后 表 面 折 射 后 的 折 射 角。 设 点犘 为透镜后表面轮廓曲线上任意一 狓 狔 狀（ 狀， 狀） 我们的 目 标 是， 在设定的参数条件下求出使 点， 最终光线 ３ 准 直 出 射 的 透 镜 后 表 面 轮 廓 曲 线 的 解析方程或离散数据点。
］ ６ 并不适用 ［ 。
图 ２ Ｌ Ｅ Ｄ 准直透镜分析模型示意图 犉 犻 ． ２ 犛 犮 犺 犲 犿 犲狅 犳犔 犈 犇犮 狅 犾 犾 犻 犿 犪 狋 犻 狀 犾 犲 狀 狊犪 狀 犪 犾 狊 犻 狊犿 狅 犱 犲 犾 犵 犵 狔
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１ 实现准直光束的平凸透镜设计
对于 Ｌ 主要采用反光杯与 Ｅ Ｄ 照 明 光 学 系 统， 透镜两种方式 。 反 光 杯 主 要 应 用 于 Ｌ 探 Ｅ Ｄ 手 电、 照灯等需要聚光 或 准 直 光 束 照 明 的 场 合 。 准 直 型 反光杯内 表 面 通 常 为 旋 转 抛 物 面 ， 为了获得准直 光束 ， 通常将 Ｌ 这 Ｅ Ｄ 光源置于抛物面焦点的位置 ， 样在理论 上 就 可 以 获 得 完 全 准 直 的 光 束 ， 但是在 由 于 反 光 杯 高 度 的 限 制， 从朗伯 实际应用过程中 ， 型分布的 Ｌ Ｅ Ｄ 中发出的小角度光束不会入射到反 光杯内表 面 而 是 直 接 出 射 ， 使得这部分光束仍保 反光杯高度 持原有的 出 射 方 向 而 没 有 受 到 控 制 ， 越低 ， 直接出射的光束越多 ， 出光角越大 ， 如图１ 所 示 。 通过反光杯获得 准 直 光 束 的 设 计 方 法 在 实 际 应用中受 到 反 光 杯 高 度 的 限 制 ， 不能形成真正意 在一些光学系统高度受限的应用场合 义的准直 ，
Ｌ Ｅ Ｄ 配合使用 。 自由曲面以 其灵活 的空 间 布 局 和 设计自由度 ， 使得光 学 系 统 的 结 构 得 到 了 简 化 ， 尤 其在照明 光 学 系 统 的 设 计 中 ， 自由曲面不仅可以 自由分配光强 ， 而且 可 以 控 制 光 线 角 度 、 光程差等
在远距离照明时 对 手 电 的 出 射 角 度 要 求 比 较 高， 而大多数 Ｌ Ｅ Ｄ 的光强分布近似为朗伯型分布 ，
［ ］ ４ ５
图 １ 反光杯出光示意图 犉 犻 ． １ 犛 犮 犺 犲 犿 犲狅 犳 狉 犲 犳 犾 犲 犮 狋 犻 狏 犲犮 狌 狌 狋 狌 狋 犾 犻 犺 狋 犵 狆狅 狆 犵
透镜作为 Ｌ Ｅ Ｄ 照明另一种主要的光形控制手 不但 能 产 生 会 聚 光 束 ， 同时也能产生发散光 段， 束， 并且可以对 Ｌ Ｅ Ｄ 发出的各个角度的光束进行 有效控制 ， 设计自 由 度 大 ， 实 现 方 式 灵 活。 尤 其 是 使 随着近几年 Ｌ Ｅ Ｄ 照 明 用 自 由 曲 面 透 镜 的 兴 起， 得各种 非 圆 对 称 光 斑 的 设 计 变 得 更 加 灵 活 与 便 捷， 因此透镜在 Ｌ Ｅ Ｄ 照明中得到了越来越多的应
第３ ３卷 第６期 ２ ０ １ ２年１ １月
应 用 光 学 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆＡ ｌ ｉ ｅ ｄＯ ｔ ｉ ｃ ｓ ｐ ｐ ｐ
Ｖ ｏ ｌ ． ３ ３Ｎ ｏ ． ６ Ｎ ｏ ｖ ． ２ ０ １ ２
文章编号 ： （ ） １ ０ ０ ２ ２ ０ ８ ２ ２ ０ １ ２ ０ ６ １ ０ ５ ８ ０ ５
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引言
具 有 体 积 小、 质量 Ｌ Ｅ Ｄ 为半 导 体 固 体 光 源 ， 耗能少 、 寿 命 长、 响应时间短以及抗震性能好 轻、 等优点 ， 尤其是其抗 震 动 能 力 ， 可以经受住各种剧 烈的抖动和碰撞 ， 这一特性使得 Ｌ Ｅ Ｄ 手电特别适 用于军队 、 警 察、 保 安、 户外探险等特种照明使用
一种基于自由曲面的 Ｌ Ｅ Ｄ 准直透镜设计
周 镇， 苏成悦 ， 付 倩， 张春华
（ 广东工业大学 物理与光电工程学院 ， 广东 广州 ５ ） １ ０ ０ ０ ６
摘 要： 提出一种能实现准直光束 照 明 的 自 由 曲 面 透 镜 设 计 算 法 ， 并基于此算法设计一种以单 颗Ｌ 利用迭代方 Ｅ Ｄ 为光源的准直透镜 。 通过建 立 透 镜 后 表 面 轮 廓 曲 线 上 的 点 所 满 足 的 方 程 ， 将数据点导入 Ｓ 法并结合 Ｍ ａ ｔ ｌ ａ ｂ 编程求出自由曲面轮廓曲线的离 散数 据 点 ， ｏ ｌ ｉ ｄ Ｗ ｏ ｒ ｋ ｓ中 进 行 进而得到透镜的实体模型 。 在 Ｔ 模 曲线拟合并建模 ， ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏ中 对 该 透 镜 进 行 非 序 列 光 线 追 迹， 拟结果表明 ： 该光学系统能够实现均匀照明 ， 并对最终光线可实现准直出射 。 关键词 ： 二次光学 ； 自由曲面 ； 准直透镜 ； 非序列光线 Ｌ Ｅ Ｄ；
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