基于全内反射结构的多自由曲面准直镜头设计

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简介：
本研究提出了一种新颖的光学系统设计方案，采用全内反射原理与多自由曲面技术结合，旨在开发高效能、高精度的准直镜头。此创新方法可显著提升光束质量及成像效果，在精密仪器和激光应用领域具有广阔的应用前景。为了高效地收集半导体发光二极管的大范围出射光并实现能量的有效利用，设计了一款基于全内反射结构的多自由曲面准直透镜。该透镜的设计依据Snell定律和能量守恒原理等光学理论进行初步建模。首先将初始模型导入Creo软件中，并通过360°旋转生成其三维实体模型。然后在TracePro光学模拟软件中，利用蒙特卡洛光线追踪方法对该模型进行了仿真测试，在距离接收板20米的位置接收到一个圆形光斑。经过对透镜法矢的修正优化后，再次进行模拟验证发现，该透镜具有高达182 cdlm（坎德拉-流明）的传输效率，并且其光束角为±1.621°。通过与传统全内反射结构透镜对比测试显示，改进后的透镜在窄光束调控方面表现出色。

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客服

基于全内反射结构的多自由曲面准直镜头设计

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本研究提出了一种新颖的光学系统设计方案，采用全内反射原理与多自由曲面技术结合，旨在开发高效能、高精度的准直镜头。此创新方法可显著提升光束质量及成像效果，在精密仪器和激光应用领域具有广阔的应用前景。为了高效地收集半导体发光二极管的大范围出射光并实现能量的有效利用，设计了一款基于全内反射结构的多自由曲面准直透镜。该透镜的设计依据Snell定律和能量守恒原理等光学理论进行初步建模。首先将初始模型导入Creo软件中，并通过360°旋转生成其三维实体模型。然后在TracePro光学模拟软件中，利用蒙特卡洛光线追踪方法对该模型进行了仿真测试，在距离接收板20米的位置接收到一个圆形光斑。经过对透镜法矢的修正优化后，再次进行模拟验证发现，该透镜具有高达182 cdlm（坎德拉-流明）的传输效率，并且其光束角为±1.621°。通过与传统全内反射结构透镜对比测试显示，改进后的透镜在窄光束调控方面表现出色。

自由曲面反光镜的设计以生成多向准直光束

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本研究探讨了自由曲面反光镜设计方法，旨在通过巧妙的光学布局产生多个方向上的平行光线，为复杂照明与显示系统提供高效解决方案。在大地测量领域中，常常需要生成360°环形准直光束。现有的方案是将半导体激光器的光束进行准直处理后使其垂直照射到45°圆锥面上，经过反射形成环绕整个圆锥面的360°环状出射光线。为了简化结构并提高装配和调试便利性，研究团队设计了一种自由曲面反光镜方案，使得系统仅由半导体激光器与该反光镜构成。首先假设光源为理想点源，并运用微分几何方法计算得出一系列离散的自由曲面上坐标值；接着通过拟合技术确定出实际所需的自由曲面形状。最后利用软件工具根据具体光源尺寸进行优化设计，以确保最佳性能表现。仿真结果显示，在激光器发散角为20°、发光面半径50毫米以及焦距设定为30毫米的情况下，该系统能够在距离10米的位置生成亮度均匀且光谱宽度仅为30毫米的准直光线。

基于双自由曲面的LED均匀化准直透镜设计

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本研究提出了一种新型的LED照明解决方案，通过采用双自由曲面透镜实现了光线的高效均匀化和准直。该设计旨在提升LED灯具的光效和视觉舒适度，适用于室内及室外各种应用场景。本段落提出了一种基于几何光学、能量守恒定律及菲涅耳定律的双自由曲面半导体发光二极管（LED）准直透镜的设计方法，并详细描述了构建这种准直透镜模型的算法设计过程。其中，自由曲面是指围绕中心轴旋转对称的一种特殊表面形式；其二维轮廓基于非均匀有理B样条曲线理论进行建模，使用ProE软件实现。通过蒙特卡罗光线追踪模拟发现，与传统的单自由曲面准直透镜相比，双自由曲面设计显著提高了照度的均匀性和能量利用效率。研究结果表明，采用这种新的设计理念能极大扩展LED准直透镜的设计可能性，并且优化了其光学性能表现。

LED路灯自由曲面反射器设计.pdf

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本文档探讨了针对LED路灯设计的一种创新性自由曲面反射器方案，旨在优化照明效果与能效。通过详细分析和实验验证，提出了一种能够有效提高光线利用率及均匀度的设计方法。适合于城市道路照明系统升级换代参考使用。 ### 自由曲面LED路灯反射器设计：提升照明效率与均匀度 #### 一、背景与挑战在城市照明系统中，路灯扮演着至关重要的角色，不仅为夜间出行提供安全保障，也是城市美观与能效的重要体现。传统的路灯设计多采用高压钠灯，尽管满足了一定的照明需求，但存在光效低、能耗高、维护成本大以及光污染等问题。随着LED技术的发展，LED路灯以其高效节能、寿命长、响应速度快和环保无污染等优势逐渐成为替代传统照明的新选择。然而，在实际应用中，LED路灯也面临光照分布不均的挑战。由于LED光源特性，直接发出的光线集中在中心区域，导致下部光强过高而两侧减弱，影响了照明均匀性和视觉舒适度。因此，创新光学设计特别是反射器的设计变得尤为重要。 #### 二、创新设计：“V型结构”自由曲面LED路灯反射器为解决光照不均的问题，王洪等人提出了一种“V型结构”的自由曲面反射器设计方案。该方案通过特殊的几何形状将照明区域等分为两部分，以实现更均匀的光分布。具体而言，在能量守恒原理基础上建立数学模型，并利用专业软件计算和拟合出连续的曲面实体，最终进行光学仿真验证。 #### 三、设计原理与方法 1. **能量守恒**：基于这一原则确保光线经过反射器后的能量均衡分布在目标区域。 2. **数学建模**：通过建立LED光源角度与照明平面坐标之间的关系模型来计算各点的精确位置，这是自由曲面设计的基础。 3. **曲面拟合**：利用机械建模软件将这些点连接成光滑连续的表面。 4. **光学仿真**：使用专业软件进行模拟和优化以验证其光照均匀性。 #### 四、成果与意义实验结果显示，“V型结构”自由曲面反射器能够显著提升照明均匀度，照度均达到了77.85%，在目标路面上形成矩形光斑。这一设计对于改善城市照明质量、降低能耗和提高视觉舒适度具有重要意义，并为LED路灯的进一步优化提供了新的思路和技术支持。 “V型结构”自由曲面反射器不仅解决了光照不均问题，还展示了技术创新对提升照明系统效能的巨大潜力。随着技术进步和深入研究，我们期待更多高效智能的城市照明解决方案出现。

基于ZEMAX的准直镜头设计

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本研究旨在利用Zemax软件优化和设计高性能的准直镜头，通过模拟与实验验证其在光学系统中的应用效果。使用ZEMAX进行准直镜头设计是一个很好的例子。

基于直线方程迭代法的自由曲面LED透镜设计

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本研究提出了一种创新的直线方程迭代算法，专门用于复杂自由曲面LED透镜的设计优化，显著提高了光线利用效率和产品性能。 ### 直线方程迭代法设计自由曲面LED透镜 #### 一、引言随着LED照明技术的发展，自由曲面透镜的设计成为提高LED灯具性能的关键环节之一。传统上，自由曲面的设计方法主要分为试错寻优法和数值计算法两大类。试错寻优法依赖于强大的光学软件优化功能以及初始参数化模型，通过不断地调整参数来获得最佳模型。而数值计算法则基于理论完备的数学模型，如基于偏微分方程或直线方程的迭代式模型。本段落重点介绍了一种新的自由曲面设计方法——基于直线方程的迭代式法。这种方法不仅可以有效克服只考虑单面配光设计方法的局限性，还能在设计过程中更加灵活地处理多表面配光问题。文章首先介绍了尺规作图法的基本原理，然后深入探讨了如何从这种传统设计方法出发，推导出基于直线方程的迭代式法。 #### 二、尺规作图法设计反射器在计算机辅助设计（CAD）出现之前，灯具反射器的设计主要依靠尺规作图法。这种方法虽然简单，但有助于快速完成初步设计并能为进一步的数学建模提供基础。本段落首先回顾了尺规作图法的基本步骤： 1. **离散化光线**：将需要改变传播方向的光线离散化为一系列入射光线( I_1, I_2, ..., I_K )。 2. **确定反射角**：设定反射后的光线与入射光线的夹角为90度，即反射光线( R_1, R_2, ..., R_K )与入射光线( I_1, I_2, ..., I_K )之间的夹角为90度。 3. **尺规作图**：根据入射光线和反射光线的角度关系，使用尺规绘制出反射器的轮廓。 #### 三、基于直线方程的迭代式法基于直线方程的迭代式法是一种更为精确和高效的自由曲面透镜设计方法。该方法的核心在于利用直线方程来表示光线路径，并通过迭代求解的方式不断逼近理想的自由曲面形状。具体步骤包括： 1. **定义目标配光曲线**：首先定义目标配光曲线，例如余弦负二次方函数分布的配光曲线。 2. **建立数学模型**：基于直线方程建立数学模型，其中包含了光源的位置、入射光线与反射光线的关系以及反射器的几何约束条件。 3. **迭代求解**：通过迭代算法求解模型中的未知数，逐步逼近理想的自由曲面形状。 4. **比较结果**：将基于直线方程的迭代式法与基于偏微分方程的方法进行比较，分析两种方法的结果差异。 #### 四、应用案例为了验证基于直线方程的迭代式法的有效性，文章选择了一个具体的案例进行分析——余弦负二次方函数分布的配光曲线设计。通过对这个案例的详细分析，证明了该方法不仅能够在理论上解决自由曲面透镜的设计问题，而且在实际应用中也能取得较好的效果。此外，还对比了直线方程迭代式法与偏微分方程迭代式法的计算结果，进一步展示了基于直线方程的迭代式法的优势所在。 #### 五、结论基于直线方程的迭代式法为自由曲面LED透镜的设计提供了一种新的思路和技术手段。相比于传统的设计方法，这种方法不仅更加精确，而且还能够有效地处理多表面配光的问题。通过理论分析和实际案例验证，可以看出基于直线方程的迭代式法具有很高的实用价值和发展潜力，在未来有望成为LED照明领域中自由曲面透镜设计的重要工具之一。

基于离轴双反射自由曲面的激光整形系统设计

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本研究提出了一种创新性的激光整形方法，采用离轴双反射自由曲面设计，有效提升了激光光束的质量和均匀性，在材料加工等领域展现出广泛应用潜力。本段落设计了一种离轴双反射自由曲面激光整形系统，不仅能够使输出光束的辐照度分布更加均匀，还能控制波前并调整扩束率。通过设定两个约束条件和初始值，获得自由曲面上相邻采样点之间的迭代关系，并以此计算整个自由曲面上所有采样点的数据。利用软件对该系统进行了验证实验，将16 mm×16 mm的方形高斯光束分别整形为80 mm×80 mm的方形均匀光斑和120 mm×20 mm的矩形均匀光斑，出射光线均为准直光束。结果显示：方形光斑均匀度达到90.74%，扩束率为5；而矩形光斑的均匀度为94.75%，水平方向上的扩束率是7.5，竖直方向上的是1.25。

多层膜结构透射率与反射率的计算（基于MATLAB）

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本研究利用MATLAB软件探讨并计算了多层膜结构的光学特性，包括透射率和反射率，为光电子器件的设计提供了理论支持。使用MATLAB仿真计算多层膜结构的透射率。

LED照明透镜的准直结构优化设计

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本研究致力于改善LED照明中透镜的准直效果，通过优化设计提高光线输出的一致性和能效，旨在开发出更加高效、节能且光照均匀的LED灯具。基于非成像光学理论并结合LED光源特性，本段落针对车用照明准直光学镜头进行了优化研究。首先利用Zemax软件对简化后的LED准直照明结构模型进行设计与优化；随后使用SolidWorks三维建模软件创建了准直透镜的物理模型，并将其导入TracePro中进一步仿真分析和改进，使光能利用率提升了6%。根据上述研究成果制造出样品后，在测试系统上对比优化前后的光学性能表现：在5米距离处中心最大光照强度提高了约128%，而相同照度（即50 lx）条件下照射范围则增加了大约25%。

LED照明系统的自由曲面透镜设计分析

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本研究聚焦于LED照明系统中自由曲面透镜的设计与性能优化，通过理论分析和实验验证，探索最佳光学结构以实现高效能光分布。本段落通过设计基于LED光源的自由曲面透镜来实现均匀圆形光斑，并提出了一种快速建立光学器件模型的方法。该方法利用几何光学和非成像光学理论建立了透镜的数学方程，采用Matlab进行透镜表面数据的数值计算，并使用TracePro完成建模工作。通过动态数据交换（DDE）协议在Matlab与TracePro之间实现会话连接，在TracePro中自动创建透镜实体模型。仿真结果显示，对于光通量为100 lm、光源尺寸为1 mm×1 mm且视角达到120°的LED朗伯型光源而言，在距其5米处的目标面能够形成半径约为3米的圆形光斑。该方法使得形成的光斑照度均匀性可达0.7，透镜效率则达到了87%。与传统的实体模型设计方式相比，本研究提出的方法简化了设计流程并节省了大量的时间。此外，通过对比验证进一步证明了该方法的准确性和可靠性。