LED模拟器光源准直设计方法

本期分享一个LED光源准直设计方法：

LED光源的二次光学设计主要包含准直和匀光设计，上期已分享匀光设计

LED光源准直设计主要采用CPC和TIR透镜两种方法。

采用的LED光源依旧为合益光控的3535-120度 LEDs光源，如图1所示，该光源的原始发散角为120°，为了提升LED光源能量利用率需要将光束进行准直或聚焦，即为光束的不同发散状态。

CPC准直方案

1、理论计算

如图3所示，复合抛物面结构模型，通过采用抛物面和极坐标公式推导出各个参数之间的关系，如图4所示，具体的公式如下：

图3  复合抛物面示意图

图4  复合抛物面计算

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2、建模

建模基于1中理论部分进行，在Tracepro中建模，建模结

2、建模

建模基于1中理论部分进行，在Tracepro中建模，建模结果如图5所示，LED光源在CPC入光口处，图6展示了不同集光角下的各个参数对应关系。

图5  CPC模型

 

图6  不同集光角下的各个参数关系

3、设计仿真

如图7所示，展示了13°集光角仿真结果，图8展示了不同集光角下的配光曲线，9°集光角时的发散半角为2.8°，为发散半角最小值。

图7  13°集光角仿真结果

图8  不同集光角配光曲线图

TIR透镜准直方案

1、理论计算

TIR透镜曲面包含两部分，分别为反射部分和折射部分，如图9和图10所示：

图9  TIR透镜反射部分

图10  TIR透镜折射部分

2、建模

通过数学方法建立方程组，采用Matlab编程求解离散点坐标，通过三维模型建立TIR三维结构，如图11-15所示：

图11  离散点曲面图（反射式）

图12  离散点3D模型（反射式）

图13  离散点曲面图（折射式）

图14  离散点3D模型（折射式）

图15  TIR透镜整体自由曲面图示

3、3D模型

如图16所示，采用三维软件对求解离散点进行三维构建，具体结果如下：

图16  TIR透镜三维模型

4、设计仿真

如图17所示，为LED准直效果如下，LED光源准直结果，发散半角＜2.5°

结论：

1、采用CPC和TIR透镜均可实现LED光源准直

2、CPC容易实现，TIR透镜实现难度较大

3、TIR透镜的准直效果更佳

注：不同的芯片尺寸对应的TIR透镜的曲线有所差异。