自由曲面透镜设计优化LED照明性能

本文主要探讨了LED灯具设计中的一个重要技术——自由曲面设计。LED作为一种高效、节能的光源，其固有的旋转对称性使得传统的光学设计无法充分利用其优势。为了在特定平面上实现理想的照明效果，文章提出了一种通过透镜的球面和自由曲面进行两次折射的配光策略。 首先，设计者预设透镜球面的结构参数，这些参数是根据LED的辐射特性（如发光面积1×1mm²的朗伯体发射）和目标照明面所需的能量分布来确定的。LED的视角被设定为180°，这意味着它可以提供全方位的照明。通过这种方式，可以形成一组一阶偏微分方程，这些方程反映了光传输的物理规律。 数值差分方法被用来求解这个偏微分方程组，直接得出透镜的自由曲面形状。这种方法的优势在于它能够精确地模拟和优化LED的光线分布，确保各种形状的照明面上的均匀性达到接近90%，这意味着光的分布非常均匀，有助于提高照明效果和舒适度。 此外，由于自由曲面透镜的设计减少了光线多次反射和透镜损耗，因此能有效提升系统的光能利用率，使其超过98%。这不仅提高了照明效率，也简化了整个LED照明系统的结构，降低了复杂性。 编程求解这一偏微分方程组的过程相对快速，计算时间少于20秒，这表明该设计方法在实际应用中有很高的效率。自由曲面设计是针对LED照明系统的一种创新策略，它在提升照明质量、能源利用和系统简洁性方面展现了巨大的潜力。 关键词：应用光学、自由曲面透镜、一阶偏微分方程组、LED照明系统、均匀照明。这项研究对于推动LED在照明领域的广泛应用和技术进步具有重要意义，也为未来的非成像光学设计提供了新的思路。