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用于 LED 道路照明的漸變菲涅爾透鏡設計

作者:
發布時間:
2019/05/04
目前的菲涅爾透鏡均為平板型或建立在球面基礎上的曲面型菲涅爾透鏡,尚未有建立在自由曲面基礎上的菲涅爾透鏡,把自由曲面透鏡與菲涅爾透鏡相結合,構建出可產生均勻矩形照明的自由曲面菲涅爾路燈透鏡,由于自由曲面菲涅爾透鏡的面型不是規的同心圓型,又稱其為漸變菲涅爾透鏡。
 
漸變菲涅爾透鏡設計思路:設計出若干出光效果相同但大小不同的自由曲面透鏡的面型數據,在 Solidworks 中將相鄰大小的四分之一自由曲面透鏡面型數據導入(如圖 1 所示,為觀察方便,此處將顯示方式改為線架圖),再借鑒分厚度法,對自由曲面進行等厚度切割,但由于自由曲面面型特殊,無法直接使用等厚度法進行分割,因此只借鑒其思想,本文所采用的切割方法的思路是:首先按照給定的光源出光特征和目標照明面照度要求進行透鏡設計,設計出十個出光效果相同但大小不同的自由曲面透鏡,但這個大小也不是隨便設定,而是每一個透鏡與其大小相鄰的透鏡設置確定大小的初始點時給定的值相差 0.5mm,由于每一個自由曲面透鏡都是按照相同的出光要求和照度分布進行設計的,因此將它們分別使用時都可以實現相同的照度要求,所以疊加后再切割最終出光效果不會有大的改變(如圖 2 所示),首先導入最大的自由曲面透鏡的四分之一數據,將其擬合成一個曲面,再導入大小與其相鄰的第二個透鏡數據,同樣擬合為曲面,其輪廓圖如圖 1所示,通過對透鏡的長度和寬度進行分析,在切割時對其長邊按照 1.5mm,寬邊按照 0.4mm進行第一次切割,切割后透鏡形狀如圖 2所示,通過曲面縫合使其成為一個整體,再采用相同的方法對之后的 8 個自由曲面透鏡依次導入后切割,最終形成菲涅爾面型(如圖 3 所示),切割后通過鏡像,曲面縫合等步驟,擬合成一個完整的漸變菲涅爾透鏡(如圖 4 所示)。
 
漸變菲涅爾透鏡與自由曲面透鏡的比較 
      將自由曲面透鏡改為漸變菲涅爾透鏡最主要的原因就是減小透鏡厚度,提高透光率,從而解決目前 LED 自由曲面路燈透鏡散熱性差的問題,本節對原始自由曲面透鏡與改進后的菲涅爾透鏡在結構上進行比較。如圖 5 所示,為原始自由曲面透鏡的輪廓線示意圖,從圖中可以看出,其底邊的一半長度為 19.085mm,由于其面型為不規則自由曲面,無法準確標注半徑或長度,因此取其長度最大的點進行標注,其值為 21.430mm。圖 6 為將自由曲面透鏡變為菲涅爾透鏡后,相應的底邊一半長度為13.301mm,長度最大點值14.894mm,由此可看出厚度有顯著減小。
     為更直觀表現自由曲面透鏡變為菲涅爾透鏡后厚度減小值,將兩透鏡組合在一起進行觀察,如圖 7 與 8所示,陰影部分為將原始自由曲面透鏡變為菲涅爾透鏡后刪去的多余材料,從圖中可以看出將自由曲面透鏡變為菲涅爾透鏡后由于刪去很多材料,使得厚度有明顯變薄,從而使得散熱效率提高,LED 使用壽命可延長,光效衰減有所減弱。
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