论文部分内容阅读
LED以其体积小、亮度高、功耗低、寿命长、节能环保等优势,逐渐取代白炽灯、卤素灯等传统光源,成为第四代照明光源。随着LED光源的发光效率不断提高,使其逐渐应用到投影照明领域。但是与传统光源相比,LED光源的光束发散角较大,未经二次配光的LED光源不仅无法达到特定照明要求,还会造成大量光能损失。因此,为了提高LED光源的光能利用率并达到特定照明要求,需要对其进行二次配光。本文根据非成像光学理论设计了三款LED自由曲面透镜,用于车载HUD投影仪中实现对LCD显示芯片的均匀矩形光斑照明。与利用成像光学原理实现矩形光斑照明的传统投影照明系统相比,具有体积小,所需光学元件少的优点。且所设计的透镜满足了车载HUD投影仪的要求:在距离LED光源50mm内的LCD显示芯片上得到均匀度大于90%的矩形光斑,并且矩形光斑的尺寸和LCD显示芯片的尺寸相同。进一步阐述了自由曲面配光元件对于实现照明系统小型化方面的应用。且所设计的透镜结构均可加工得到实际产品。首先,本论文对LED光源的特点,传统照明系统,自由曲面配光设计方法以及非成像光学理论做了详细的阐述。其次,基于非成像光学理论设计紧凑型LED自由曲面透镜。外部自由曲面的设计采用分步设计法结合切向迭代法,内部自由曲面的设计采用优化法结合试错法。首先基于点光源,根据能量守恒定律推导透镜轮廓上点坐标之间的关系,然后在MATLAB中编程计算自由曲面透镜轮廓曲线上的点。最终在距离光源20mm的接收面得到均匀度达到92%,光学效率达到85%的矩形光斑。然后,为了进一步提高车载HUD投影仪照明系统的光学效率,本论文设计了一种基于均匀照明TIR结构的LED自由曲面透镜,该透镜的设计采用分步设计法结合试错法。首先用ODE法推导关于TIR透镜轮廓曲线的方程,解方程得到TIR透镜轮廓曲线,结合试错法最终在距离光源40mm的接收面得到均匀度达到92%,光学效率达到88%的矩形光斑。最后,为了减小实际产品与理论模型的偏差,本论文设计了一种基于准直TIR结构的LED自由曲面透镜,该透镜由一个准直TIR透镜和其出光面上的微纹理构成。微纹理结构能够同时实现光斑从圆形到矩形的转化以及均匀度的提升。首先推导关于准直TIR透镜轮廓上点的坐标关系,然后在MATLAB中编程得到准直TIR透镜轮廓,结合试错法调节微纹理结构,最终在距离光源45mm的接收面得到均匀度达到91%,光学效率达到89%的矩形光斑。