透镜设计

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透镜设计范文第1篇

关键词：照明工程； LED； TIR透镜； 微型透镜

中图分类号： TN 321.8 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.010

Abstract：LED is widely used in different lighting environment instead of traditional lighting source as its power becoming higher and higher. LED lens are always needed to make rectangular spot to avoid waste of flux in some illumination design of indoor and road conditions. In this design， total internal reflection（TIR） lens and microlens array are integrated by Light Tools. The transmission and the total reflection surface of TIR lens are all set up to quadric for optimization. And the ratio of length and width of a single microlens is set to 1∶1， 3∶2 and 4∶3. The size of the microlens and spherical curvature are also variable for further optimization. Finally， a uniform rectangular spot appears on the detector， and the ratio of the length and width is the same as the ratio of microlens which can meet illumination design of different condition.

Keywords：illumination engineering； LED； TIR lens； microlens

引 言

LED具有体积小、发光效率高、寿命长等优点，并且随着单颗LED功率的提高，如今LED光源已经广泛应用于室内照明（筒灯、射灯、球泡灯等）、室外照明（路灯、标识灯等）、投影照明和车灯照明等方面[13]。LED二次光学设计直接影响着LED出射角度、光照度分布等，在LED照明设计起着至关重要的作用。

在道路照明应用方面，灯具设计者通常会根据不同照明场景和环境的需求对LED进行配光和二次设计。光照的区域和形状是设计者必须要考虑的，在路灯照明系统以及一些室内照明（地铁或者火车）中，照明区域通常为矩形，而未经配光的LED产生的光斑呈圆形。为了充分利用光能，避免照明区域外光能量的损失，可利用对LED二次光学设计直接产生矩形光斑[46]，最终使LED发出的光能够在路面上呈均匀分布并符合相关道路照明标准[7]。

当前，较为常用的做法是根据LED发光特性采用自由曲面[810]的方法进行设计：复旦大学刘正权等[11]根据空间Sell定律的矢量表达式[11]和光源扩展度守恒列出偏微分方程，并根据边界条件求出方程数值解从而得到反射曲面坐标，再通过软件的建模与拟合最终得到反射器模型，采用这种方法最终可以得到近似的矩形光斑，但矩形的轮廓并不清晰；清华大学深圳研究生院胡晓佳等[12]采用分离变量与最小能量块迭代法通过对LED光源和路面的能量网络划分设计成类似“花生米”结构的自由曲面透镜，最终生成相对均匀的矩形光斑，但精确改变矩形两边长之比却相对困难；北京工业大学李澄、李农采用抛物线聚光碗、准直透镜和复眼结构并利用Tracepro软件进行模拟生成了方形光斑[5]，但并未对产生特定长宽比的矩形光斑进行进一步研究。

本文采用全内反射（total internal reflection，TIR）透镜结合矩形微型矩形球面透镜阵列的方法，在Light Tools软件中建立模型并进行模拟，采用长宽比分别为1∶1、3∶2和4∶3的微型透镜作为阵列元，并改变其后表面曲率半径进行优化，最终得到长宽比分别为1∶1、3∶2和4∶3的矩形光斑。

1 系统模型的建立

1.1 TIR准直透镜模型的建立

TIR透镜模型的建立一般有两种方法[1315]：第一种是采用逆向工程的方法，假设LED为点光源，利用空间Snell定律列出方程，然后分别计算出透射曲面和全反射曲面母线上的坐标点，并在建模软件中把这些坐标点通过样条曲线拟合成一条曲线，利用建模软件对其绕对称轴旋转建立相关模型；第二种方法是直接在光学软件中建立模型，根据光线追迹的结果对已经建好的模型进行优化和修改，直至满足设计需求。

第一种方法的优点是可以对曲面面型进行直接计算，缺点是无法直接在光学软件中对其进行优化，并且LED本身为扩展光源，将其看作点光源必定会给模拟仿真的结果带来一定误差。此外，在计算的过程中需要利用MATLAB软件或者其他工具进行计算，也使建模本身更加复杂。第二种方法在建模时相对简单和直观，我们可以在光学软件中直接建立模型并通过观察光线追迹结果对透镜相关参数进行修改而使结构更接近预期效果。在实际生产中，大多数采用第二种方法，并利用Light Tools软件结合Solidworks或者利用Tracepro软件进行建模和优化，但是这种方法使用的前提是要对TIR透镜以及LED配光曲线有较多的设计经验。

本文采用第二种方法，在Light Tools软件中直接建立模型，其中透射面和全反射面面型均采用二次曲面，设定初始值，利用布林运算对建立的三维模型进行编辑从而建立TIR透镜初始结构。在优化过程中，把透射面与全反射面的二次曲面系数设置为变量，并以准直为优化目的对建立的透镜模型进行优化。采用1 mm×1 mm朗伯发光体光源进行模拟，经过优化之后所得到TIR透镜如图1（a）所示，图1（b）为经过优化后在2 000 mm处接受到的光斑的照度图。

1.2 矩形微型透镜阵列的建立

微型透镜所采用的材料与TIR透镜一样，均为聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA），折射率为1.49，并采用平凸透镜结构，即第一面为平面，第二面采用球面。在光学软件中建立图2所示的矩形微透镜。图2（a）为单个微型透镜模型。建立好单个模型后，将其阵列化并使用布林运算使其与TIR透 镜构成一个系统（图2（b））。

整个系统相当于一个组合透镜系统，其中TIR主要起到准直的作用，而后面的微型透镜阵列起到对光斑整形的作用。当改变微型透镜球面的曲率半径以及微型透镜在TIR出射面的排布个数时，最终形成的矩形光斑会发生相应的变化。

另外，微型透镜的出射面面型对照明效果也起着重要作用。本文仅仅对球面这一特殊情况进行讨论，还可以在Light Tools软件中设置二次曲面的曲面系数来改变曲面面型，从而对系统进行进一步优化和分析，也可以在其它建模软件中根据实际需求自行设计自由曲面进行建模。

2 系统模拟与仿真结果

如1.2节所述，在对TIR透镜进行准直和均匀度优化之后，在TIR透镜后表面增加微型透镜阵列，设定矩形微透镜长宽比分别为1∶1、3∶2、4∶3。在建立TIR模型时，设定出射面直径为24 mm，接收面在距LED后2 m处。在分别保持微型透镜长宽比不变的情况下，通过改变微型透镜的尺寸和曲率半径进行优化。

2.1 长宽比为1∶1

设置微型透镜轮廓为矩形，设置微型透镜长与宽相等（X表示长边，Y表示短边），分别设置X=Y=1 mm、X=Y=2 mm和X=Y=3 mm，即分别对应在TIR透镜后表面排布的微型透镜个数为N=450、N=110和N=50。分别在保持N不变的情况下，改变微型透镜后表面的曲率半径，并进行光线追迹，分别得到如图3所示的（a）（b）（c）光斑照度图（由于篇幅限制，仅从多个模拟结果中选取8幅充分展示照度变化的照度图）。

从图中可以看出，当保持微透镜两边X=Y=1 mm时，改变后表面曲率半径时，当曲率半径R从40 mm逐渐减小至1 mm，最终目标面上的光斑形状会从圆形逐渐变成正方形，且

光斑会逐渐变得更加均匀。保持矩形长宽比不变，改变微型透镜的尺寸使得X=Y=2 mm和X=Y=3 mm，同样也得到了照度分布较为均匀的正方形光斑。

2.2 长宽比为3∶2

2.1节中所模拟的正方形是矩形的特殊情况，当两边长度不相同时，改变微型透镜的比例，设置长宽比为3∶2，分别设置X=1.5 mm、X=3 mm、X=4.5 mm，对应的Y=1 mm、2 mm和3 mm，即N=300、75和33。分别在保持N不变的情况下，改变微型透镜后表面的曲率半径，并进行光线追迹，分别得到图4所示的（a）（b）（c）光斑照度图。

如图4（a）所示，当X=1.5 mm、Y=1 mm时，R>6 mm时，接受面上的光斑为圆形且变化不大；当R从6 mm逐渐减小时，接受面上的光斑从圆形逐渐变成椭圆形，再由椭圆形渐渐变成矩形，且矩形的四个直角和轮廓也愈来愈清晰，光斑也逐渐变得均匀，且矩形光斑两边之比为3∶2。当保持X与Y比例不变改变其值时，也得到了均匀的矩形光斑（图4（b）和图4（c）），且矩形光斑长宽比为3∶2。

2.3 长宽比为4∶3

设置X=1 mm、X=2 mm、X=4 mm，对应的Y=0.75 mm、1.5 mm和3 mm，即N=600、150和75。分别在保持N不变的情况下，改变微型透镜后表面的曲率半径，并进行光线追迹，分别得到图5所示的（a）（b）（c）光斑照度图（已略去R变化时变化不大的照度图），最终三种情况下都得到了长宽比为4∶3的矩形光斑，所得到的结论和2.1以及2.2节完全一致。

从以上的模拟与仿真结果可得知，在微型透镜取合适的尺寸，并在保持微透镜尺寸不变的情况下，可以通过调节微型透镜出射面面型最终得到与微型透镜长宽比相吻合的矩形光斑，也就是说微型透镜的个数N以及微型透镜的面型是影响最终矩形光斑形状以及大小的两个重要因素。

3 结论与展望

本文提出了一种基于矩形微型透镜阵列的新型TIR透镜结构并建立了相关模型，并分别设置微型透镜长宽比为1∶1、3∶2、4∶3，然后在保持长宽比不变的情况下通过改变微型透镜的个数N和微型透镜后表面曲率半径R，在远场分别产生了与微型透镜对应比例――即长宽比分别为1∶1、3∶2、4∶3的矩形光斑，照度分布较为均匀且矩形轮廓清晰。此种透镜可用于特定场合的照明，比如室内照明和路灯照明等方面，并且尽可能地利用光能，避免了照明光斑与照明区域的不吻合造成的光能损失。此外，本文所采用的建模方法步骤简单，避免了繁琐的公式推导，同时也避免了“逆向工程”方法带来的复杂的优化过程。

与此同时，由于所选初始结构以及优化方式的限制，导致矩形光斑边缘照度与中心区域照度呈阶梯状分布，可以通过对TIR透镜全反射以及透射曲面的选型以及继续优化对结构进行进一步改善，使最终结果满足设计需求，或者在灯具中改变LED的排布也能达到增加均匀度的效果。另外，本文在设定微型透镜时微型透镜后表面为球面，我们还可以采用其他不同的面型，比如二次曲面或者自由曲面，通过改变二次曲面曲面系数再进行深入的研究。

参考文献：

[1]刘祖明，黎小桃.LED照明设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]刘旖.微投影仪的照明光路设计[D].成都：电子科技大学，2012.

[3]DING Y，LIU X，ZHENG Z R，et al. Freeform LED lens for uniform illumination[J].Optics Express，2008，16（17）：1295812966.

[4]李竞.实现LED矩形均匀照明的透镜设计[J].应用光学，2011，32（2）：211214.

[5]张芸，刘铁根，张学敏，等.LED路灯光强模拟分布及实验验证[J].光学仪器，2008，30（1）：4549.

[6]傅澄宇，杨波，李正达，等.一种LED光源矩形斑照明的优化算法及其仿真[J].光学仪器，2013，35（5）：3640.

[7]中国建筑科学研究院.CJJ 45―2006.城市道路照明设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[8]丁毅，郑臻荣，顾培夫.实现LED照明的自由曲面透镜设计[J].光子学报，2009，38（6）：14861490.

[9]WANG L，QIAN K Y，LUO Y.Discontinuous freeform lens design for prescribed irradiance[J].Applied Optics，2007，46（18）：37163723.

[10]CHEN J J，LIN C T.Freeform surface design for a light emitting diodebased collimating lens[J].Optical Engineering，2010，49（9）：093001.

[11]刘正权，孙耀杰，林燕丹.基于LED的自由曲面反射器设计软件研究[J].照明工程学报，2012，23（4）：5660.

[12]胡晓佳，钱可元.LED道路照明中实现任意照度分布的自由曲面光学设计[J].半导体光电，2012，34（6）：10771081.

[13]李晓彤，岑兆丰.几何光学・像差・光学设计[M].杭州：浙江大学出版社，2003.

透镜设计范文第2篇

【关键词】LED；透镜；光学

1、引言

白光LED的大部分是通过蓝光LED加黄色荧光粉合成的，而涂有荧光粉的裸芯片的光强多数均可近似为郎伯分布，即。其中为光线发出方向与芯片法线方向的夹角，I0为法线方向的光强。而对于光的色度而言，夹角小的出射光主要呈现蓝色，夹角大到接近90度的部分的光主要呈现黄色，而这之间的光多数呈现白色，经过荧光粉的光随着出射角度的增加，色度呈现从蓝到白再到黄光的变化过程的。

本文实现蓝光LED加黄色荧光粉后发出的光，经过透镜的折射或者全反射后，打到距离光源固定距离的接受面上后，光斑的照度均匀，同时色度均为白色。

2、透镜设计

首先考虑照度均匀，当夹角比较小时，可以透过设计透镜的形状，使光线经过透镜折射后，在空间中重新分布，达到光照均匀的效果。对于夹角比较大的光，可以通过透镜的折射或全反射，而达到光照均匀的作用。而要达到色度均匀的目的，可以将夹角比较小的蓝光和夹角大的黄光混合，形成白光。这就需要将大角度的光变换到光斑的中心位置，而如果仅仅通过折射是很难实现的，因为对于大角度的光需要随着角度的增大，打到光斑的位置逐渐向中心靠拢，而如果通过全反射的话就会很容易实现，鉴于此，设计的透镜形状为郁金香透镜。

郁金香透镜的形状如图1所示。透镜将空间光分为两个部分，光线与芯片法向夹角小于临界角0的光只需经过两次折射打到接受面上。而夹角大于临界角0的光还需要经过一次全反射打到接受面上。

首先分析角度小于临界角0的光的传输过程：夹角小于0的部分的光通量计算公式为：，其中，得到： ，这部分光要投射到接受面上半径为r的圆中，对应的面积为：，当增大到0时，对应的光斑半径为R，此时光斑面积为：，要实现光照均匀，则：，即：，这样，便得到了和r的对应关系，同时将分为1570份，即定义0.001弧度为光线角分部的最小改变量。每增加0.001弧度后，即对应一个新的r，知道与r的对应关系，便可以设计这部分的透镜形状。假设确定了1以内的透镜的透镜的形状，设此时对应点的坐标为，设，要求的就是2对应的点的位置。r1对应1，而透镜的高度h是确定的，根据折射定理以及相应的几何关系，我们可以得到光线射入到透镜后的方向，此方向与芯片的法线方向夹角即，同时假设透镜下一点与的倾斜角为y，再次利用折射定理，由此求出倾斜角y，直线 与直线的交点，即为透镜的下一点。

对于部分的透镜设计，由于要求夹角越大，对应光斑中的位置越接近中心点，光斑中心位置均匀性的优劣重于边缘位置均匀性的好坏，所以要从中心位置向边缘位置设计，即对应角度从到0的方向变化。到部分的光通量为：，即：，同样，这部分光通量对应的光斑面积为：，而0到之间的光通量对应整个光斑，面积为：，因为光照均匀，对应关系成比例，得：，即：，同样，假设已经确定了1所对应的透镜全反射面的一个位置，下面就是如何根据这点，确定对应的位置坐标。设1对应的光斑半径为r1，根据折射定理 以及相应的几何关系，可以求得光线经过全反射后在透镜中的传输方向，即。同时可以计算1的光线打到全反射面之前的方向，设其与水平面夹角为a，又设透镜全反射面在处与芯片法线方向夹角为y，根据反射定律得，从而得到，我们同样可以求得2对应的光线进入透镜后的直线方程，与的交点即为透镜曲面的下一点。

实现光照均匀后，如何实现色度均匀，关键在于调节透镜分开的两部分光所占比例。即调节临界角0的大小，使两部分光混合后基本呈现白光。

3、结果仿真

得到透镜两部分曲面的设计曲线后，导入犀牛软件中画出实体，再导入Tracepro中进行仿真。图4为临界角为60度，接受面距离光源1米，光斑半径为1.73米是的光斑图样，追迹光线数量为50000条。

进行色度仿真时，需要在芯片上添加荧光粉，由于光线经过荧光粉层后方向会发生偏转，光强分布不在满足标准的朗伯分布。经分析，当夹角时，光强分布仍然可以近似为朗伯分布，而当 时，光强分布为朗伯分布和均匀分布线性结合的分布方式，其中，朗伯分布约占63%，均匀分布占37%。

透镜设计范文第3篇

关键词：LED路灯;自由曲面透镜;二次光学设计

中图分类号：TN31;O43

      文献标识码：A文章编号：1005-3824（2014）05-0013-05

0 引 言

发光二极管（light emitting diode）作为新一代的绿色光源，具有寿命长、体积小、电光效率高、环保节能等诸多优点，已经广泛应用于景观装饰照明、汽车尾灯、显示屏等领域^[1]。不同于传统光源，LED不含汞、铅等有害金属;其出射光中没有紫外和红外光;其寿命是荧光灯的10倍，白炽灯的100倍，LED也因此成为21世纪最有价值的第4代新型光源^[2-3]。

LED路灯大部分采用的是白光LED光源，光源的辐射角分布为11001200的朗伯分布，表现为中心照射区域的光斑亮度很高，但随着照明区域的半径增大亮度衰减得很快^[4]。如果不经过配光，LED路灯将会在照明路面上形成一个不均匀的圆形光斑，约50%的光将会散落到马路之外，造成光浪费，还会对远处的行人和车辆造成眩光，达不到照明要求^[5]。所以，对LED路灯进行二次光学设计，使其照明区域的光照均匀度、形状等满足道路照明要求，是LED路灯设计过程中不可或缺的环节。二次光学设计属于非成像光学领域，利用非成像光学理论设计自由曲面透镜对LED路灯进行配光^[5]，以达到均匀照明的目的，是目前LED路灯二次配光设计常用方法。而对于自由曲面透镜的设计，目前常用的主要有试错法、裁剪法、数值优化法、偏微分方程法、网格法以及SMS法^[6]，前5种方法主要针对点光源，最后的SMS法则多用于扩展光源。

1 LED路灯配光特点及要求

LED的光强辐射一般以蝙蝠翼型、朗伯型、聚光型以及侧射型等类型分布，其中大部分都为近似朗伯分布，即光分布是以垂直于发光面的轴线为零度角的余弦分布，其光强变化规律为

I（）=I0×cos（）（1）

其中：I0为主轴上的光强;为光线与LED主光轴的夹角。

没有经过配光的LED光源一般产生的为圆形光斑，这样的光源容易产生斑马效应，而且会造成路面以外的光浪费，因此，需要通过对LED进行二次配光，使得LED路灯发出的光在路面上形成一个矩形光斑，同时兼顾眩光控制与照度均匀度，达到道路照明要求。

在城市道路照明设计行业标准中，根据道路照明的不同场合，把道路分为主干道、次干道、快速道和支路等。不同的道路有不同的照明要求，具体设计要求如表1。

2 基于非成像光学的LED路灯配光技术

2.1 非成像光学简介

与传统光学设计不同，LED路灯的配光设计，不需要在路面上形成清晰的像，而是要求把圆形光斑变成矩形光斑，尽可能使光线都分布在路面上，即二次光学设计。二次光学设计主要考虑怎样把LED发出的光线集中到期望的照明区域上，进而让整个系统发出的光能满足照明要求。二次光学设计属于非成像光学的研究范畴。不同于传统成像光学系统，非成像光学不再以获得最好的物象为目的，所以不需要在目标照明面上形成清晰的像，而是追求光能利用率的最大化，另一个不同于成像光学系统的特点在于，不再使用像差理论和成像质量来评判系统性能的优劣，在非成像光学系统中，光能利用率被用来作为系统的评价标准。目前，为了满足道路均匀照明要求，对LED路灯进行二次配光的一种行之有效的方法是利用非成像光学理论构建自由曲面透镜。

表1 机动车交通道路照明标准^[7]

2.2 自由曲面透镜常用设计方法

为了让配光过程中的能量损失较少，普遍采用光学面数量较少、对光线的反射折射较少的透镜来对LED进行二次配光，透镜的配光能力决定于其光学面的面型。要达到均匀照明的配光效果，这种光学面的面型需要有足够的自由度，能同时实现系统的光强分配和照明空间角的改变，称之为自由曲面。自由曲面透镜结构简单，配光效果好，是目前为止LED均匀照明最理想的配光光学元件。

目前，常用的自由曲面设计方法主要分为两大类，一类是针对点光源的，包括试错法、裁剪法、数值优化法、偏微分方程法和网格法，另一个类是针对面光源的SMS法（多重表面同步设计法）。其中，试错法的可变参数多，没有固定的优化模式，大多依赖于设计员的经验进行，主要通过三维建模软件solidworks、PROE或UG等绘制出光学元器件结构，再在非成像光学分析软件中，通过非序列光线追迹来判断照明面的照度及整个光强的分布^[8];裁剪法通过对光学透镜的面形进行裁剪来控制波前走向，以此获得均匀的照度或能量分布;数值优化法结合几何近似方法与变分积分方法，对非线性二阶Monte-Amphere方程进行求解，此方法最先由J.Bortz、N.Shatz等人应用于LED配光透镜设计，主要应用于只有一个光学面的给定照度分布问题;SMS方法^[9]是针对扩展光源设计而言的，对一个配光光学透镜，可以同时设计出透镜的2个或多个表面的面型，通过多个光学面，控制扩展光源2端发出的2个波面，变换成给定的2个输出波面;而对于点光源而言，常采用偏微分方程法和网格法，下面本文将对这2种方法做详细介绍与比较。

2.3 自由曲面透镜常用设计方法

偏微分方程法，系统效率高于82%。

图1 自由曲面透镜与配光效果图

通过偏微分方程法来求解自由曲面面型，本质上是建立入射、出射和自由曲面法向矢量3者之间的矢量关系方程组，同时添加限制条件，限制条件根据光 源的发光特性以及所需照明来设定，这样，使得方程有唯一解或者有限个解。自由曲面是一空间曲面，求解自由曲面面型数据时，首先在空间中建立三维坐标系，设LED光源位于空间坐标系的原点，自由曲面上的任意一点坐标为qθ，φ，ρθ，φ，目标照明面上的点为wx，y，z，入射光线、出射光线以及q点处的法向矢量分布用In、Out和N表示，根据Snell定律可以建立起自由曲面上点q和目标照明面上点w的关系表达式，再由能量守恒定律求得自由曲面上点q的分量与光线出射角之间的关系表达式，由此得到qθ，φ，ρθ，φ在θ，φ的一阶偏微分方程，最后运用数值方法求解出自由曲面面型数据。

2.4 网格法

网格法的设计思想具有直观的物理意义。在忽略能量损失的情况下，由能量守恒原理可知，光源发出的能量等于目标照明面上获得的能量，采用相同的规则对光源和目标照明面进行网格划分，每个网格内所对应的能量相等，根据这个映射关系，建立能量分配的对应关系，通过计算机迭代求解出自由曲面表面离散数据点的坐标，以及所对应的法矢量，从而确定了自由曲面的表面。

同样，跟偏微分方程法一样，LED视为点光源，位于原点处，建立如图2所示的空间坐标系。其中，θ为光线与Y轴所组成的平面和Z轴的夹角，φ为光线与Y轴的夹角。由光源的余弦分布可知，沿着光线i→的光强为I0cosθsinφ^[12]，其中I0为中心光强。

图2 LED光源空间坐标

2.4.1 划分网格

设目标照明面如图3所示，是一个长为a，宽为b的矩形区域，LED光源的总光通量为，目标照明面的平均照度为Ev，中心光强为I0=/π。在X轴方向已步长k等分为m份，Y轴方向上也以同样的步长k等分为n份，这样就得到了xm和ym的数组，对应于光源立体角来说，则在θ角上等分成m份，角等分成n份。

图3 目标照明面网格图

2.4.2 迭代计算

经过网格划分后，在X轴方向有m条矩形区域，通过能量守恒定律，可以建立起光源出光方向与目标照明面上点的一条纵向对应关系，以此求得步长Δθ1～Δθm，Δφ1～Δφn。其具体步骤如下：

首先计算X轴方向上每条矩形区域所对应的能量：

EΔx=Ev·k·b（2）

每一份θ角内，以LED光源发出的能量作为研究对象，根据能量守恒定律可得：

∫θ1θ0∫π0I0cosθ·sin2φdθdφ=EΔx（3） 

则：

Δθ1=EΔxI0cosθ∫π0sin2φdφ（4）

由θ1=θ0+Δθ1，x1=x0+Δx可以得到一条光线与目标照明面上的一个点的能量对应关系：θ1，φ1→x1，y0。按照这样的步骤依次迭代可计算出Δθ2，…，Δθm，并可得到光源光线与目标照明面上的点的纵向对应关系θφ0=fxy0，即

θ1，φ1→x1，y0

θ2，φ1→x2，y0

θ3，φ1→x3，y0

……

θm，φ1→xm，y0

按照以上建立纵向对应关系的方法，建立能量横向对应关系，以此得到步长Δφ1～Δφn。

在目标照明面的Δx，Δy范围内，由能量守恒可得：

∫θ1θ0∫φ1φ0I0cosθ·sin2φdθdφ=Ev·k2（5）

则：

Δφ1=EΔx，ΔyI0∫θ1θ0cosθsin2φ0（6）

由φ1=φ0+Δφ1，y1=y0+Δy可以得到一条光线与目标照明面上的一个点的能量对应关系：θ0，φ1→x0，y1。按照这样的步骤依次迭代可计算出Δφ2，…，Δφm，并可得到光源光线与目标照明面上的点的纵向对应关系φθ0=gyx0，即：

θ0，φ1→x0，y1

θ0，φ2→x0，y2

θ0，φ3→x0，y3

……

θ0，φn→x0，yn

这样，可以依次迭代求出光源光线在整个空间坐标系中与目标照明面上点的对应关系：即θm，φn→xm，yn。

迭代计算时，首先确定透镜的一个初始计算点，应用反射定律求得自由曲面初始点的法向量，从而确定该点的切平面，再由该切平面与第二点的入射光线相交确定第二点。总体思想是，通过前一个点的切平面与下一条光线相交求得下一点，通过计算机迭代计算出自由曲面所有点的坐标，由此得到自由曲面的面型。

3 LED路灯自由曲面透镜设计方法的比较  

无论采用哪种自由曲面透镜设计方法，最终的目的都是要让LED路灯的配光达到道路照明要求。上述的自由曲面透镜设计方法各有优缺点，如表2所示。

其中，偏微分方程法求解自由曲面，目的性强，计算速度很快，可以很快得到面型的数据，而且没有试错法中反复优化的过程，但是，由于偏微分方程组复杂，求解过程麻烦，这类方程的可解性也很低，要求设计人员有扎实的数学功底和编程能力，并且偏微分方程法多适合点光源，对于扩展光源，多用SMS法。

网格法比较直观，根据能量守恒，建立光源与目标照明面的映射关系来求解面型数据，并且可以通过对网格的细化，可以得到更加精确的结果。网格法可以解决复杂照度分布的问题，求解上比偏微分方程法简单，设计效率高，不用进行误差校验，是一种行之有效的自由曲面透镜设计方法，具有良好的研究前景。

4 结 论

近年来，LED路灯的应用越来越广泛，对LED路灯二次光学设计的要求也越来越高，二次光学设计也逐渐成为非成像光学中的一个重要研究方向。本文简要介绍了LED路灯自由曲面透镜的设计方法，并就现在最常用的2种设计方法做了详细介绍与对比，认为网格法具有良好的发展前景。目前，对于点光源的二次配光设计问题，已经有相当成熟的解决办法，但是对于扩展光源来说，还需要进一步提出比较成熟的解决方案，加快LED路灯应用于更加广阔的领域。

参考文献：

[1] 

闫瑞，肖志松， 邓思盛，等.LED光学设计的现状与展望[J].照明工程学报，2011，22（2）：38-42.

：2000，3938：30-41.

[3] 王海鸥，李广安.认识照明LED[J].中国照明电器，2004（2）：1-3.

[4] 蒋金波.LED路灯透镜的二次光学设计介绍[J].照明工程学报，2008，19（12）：59-65.

[5] 谢志国，李伟平，李程，等.亮度均匀的LED路灯透镜设计与研究[J].光学与光电技术，2012，10（5）：84-88.

[6] 史永胜，买迪，宁磊.实现道路均匀照明的LED自由曲面透镜设计方法综述[J].照明工程学报，2010，21（5）：73-77.

[7] 周广郁.机动车交通道路照明标准探讨[J].灯与照明，2013，37（1）：12-16.

[8] 深圳雷曼光电科技股份有限公司.简论LED二次光学设计[J].现代显示，2010，111：38-39.

[9] 丁纾姝.大功率LED均匀照明设计理论的研究[D].杭州：中国计量学院，2012：5-6.

[10]RIES H.Tailored free form lenses for illumination[J].Proc.of SPIE，2001，4442：43-50. 

[11]杨毅，钱可元，罗毅.一种新型的基于非成像光学的LED均匀照明系统[J].光学技术，2007，33（1）：110-113. 

[12]张奇辉.大功率LED照明系统光学设计方法研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[13]乔庆飞，林峰.LED路灯的自由曲面二次透镜设计[J].应用光学，2012，33（4）：676-679.

[14]王洪，张奇辉，张小凡，等.实现道路均匀照明的自由曲面反射器设计[J].光学工程，2009，36（12）：143-146.

[15]黄翔.LED路灯配光设计探讨[J].中国照明电器，2012（9）：8-11.

[16]王恺.大功率LED封装与应用的自由曲面光学研究[D].武汉：华中科技大学，2011：65-80.

.Proceedings of the IEEE，2008，139：84-85.

[18]KOSHE R J.An introduction to practical illumination engineering[J].Light Pipe Design，2006，4（2）：1-20.

[19]YANG Bo，JIN Guofan.Freeform reflector design using differential evolution algorithm[J].Key Engineering Material，2008，364：138-142.

透镜设计范文第4篇

但是，如果我们想利用手中的普通相机，别出心裁地拍摄一些生动有趣并富有摄影创意的特技效果的图片，如，图片背景呈星光四射状、夏季里呈现冬雾景观、所摄景物四周呈现晕雾状、一张图片上产生多个影像效果等特技效果摄影，并非难事。

一般的专业摄影师搞特技摄影作品，则在相机镜头前面配套采用系例的专业特技滤色镜，并根据自身的独特创作思维，完成一幅幅妙趣横生颇有视角冲击力的特技效果图片。

而作为业余爱好者，我们在平时的业余摄影中，不可能去配置价格昂贵的各类专业特技镜头，那么，我们就可以找些生活中常用的材料，通过一些简单的手工制作和处理方法，制作几枚简易实用的特技效果小镜头。

使用时，将自制的特效镜头加套在相机镜头前拍摄，也能基本达到在业余条件下满足欣赏特技图片的视觉效果，这里介绍几枚简易特技效果镜的制作和拍摄，若有兴趣不妨自己动手试试。

平时拍摄一些风景或人物影像时，如果要想在景物人物背景图案上呈现似繁星闪亮、光芒四射的特殊图片效果，如星光闪烁十字形、米字形、菱形等，通常在拍摄时在相机镜头前加装一块或二块特殊效果的星光滤色镜，就可以在图片上实现。

业余条件下实现这种摄影效果的星光滤色镜制作则十分简单。

首先，把相机上配用的遮光圈(保护镜)旋下，按遮光圈的前端口径剪一块或二块纱窗上用的塑料纱布，将纱布固定在遮光圈前并用透明胶带固定好(一块或二块合叠也行)，拍摄时把遮光圈旋在相机镜头上即可。

当然快门与速度也应适当调整，可适当比平时提高半档或一档的曝光量。

如果相机没有遮光圈，那么可按相机镜头前面u保护镜直径大小，将纱窗布剪一同直径大小的圆圈，直接贴在u镜前面就可使用拍摄了。

特殊分界镜的原理是，用很小的光圈把通过半片近摄镜的近景拍得十分清晰，而没有近摄镜的另一半则把远景拍得很清晰，当然也可以把图片一半拍得很清晰，而另一半则很朦胧。

自制这种镜头时，先找一片半边光度数在200～300度老花镜片，另一半基本无度数的平镜片，用玻璃刀裁取二个半片，并加以磨平，用少许无影胶水再拼接。

拼按时，两镜片的缝隙一定尽可能小而平整，最后在砂磨机上按遮光圈口径加以磨小修整，最后嵌在遮光圈前端即可拍摄使用。

为防止拍摄时因晃动而掉落镜片，应滴几滴快干胶以固定。

专用单色或多色滤色镜的结构是，在两片光学镜片之间夹有一片或几片胶质彩片，在拍摄后，使图片形成不同色彩，更能体现图片色彩的艺术效果。

自制多色镜时，我们可先找两小块染有不同透明色彩的胶片(也可采用透明彩色树脂基片)，然后按镜头口径的大小，剪成两块半圆形状，并相互拼接起来。

两片缝隙间力求拼接处无缝隙，再用全色透明胶带粘合牢即为双色滤色镜(也可采用三种不同颜彩的透明胶片，并加以相互拼接为三色滤色镜)，在拍摄时，罩在镜头前就可以拍摄了。

夏季或晴朗的天气，如果在拍摄时，添加雾露背景的图片，就如同冬日晨雾一样可以产生朦胧飘浮的美感效果。这种效果，菜鸟也很容易制作和拍摄。

首先，把遮光圈旋在相机镜头上，然后找一小块纯白的塑料透明纸蒙在镜头前端，此时，从取景框内若能看到前方被摄景象很清晰细腻，则说明该透明塑料纸太薄；若从取景框内只能看到前方白茫茫一片，那塑料纸则太厚。

所以，选择透明纸的原则是，既看清景像但又不能太清晰也不能太模糊，要反复调整并确定一定量的厚度后再拍摄，这样才能拍出带有真实晨雾的朦雾景像效果。

采用晕雾镜拍摄的照片，能使照片主题所需的景像非常清晰，而主景以外的局部景物产生一种晕化朦雾的效果，使之在突出主景的前提下更增强视觉的艺术感染力。

拍摄时先准备一片镜头u保护镜，找一小张薄型蜡光纸，并按镜头的直径大小剪成小圆圈，在圆圈部位的中央剪刻出一个小圆孔洞(圆孔洞直径大小视拍摄景像大小需要而定)，然后直接贴于镜片上并旋上镜头即可拍摄。

拍摄过程中，我们从取景框内取景时，圆孔洞里主景景像清晰可辨，而被薄光蜡纸遮当的其他景物则是呈现朦胧晕雾化。

另一种晕雾镜的制作则更为简单方便，旋下相机镜头的保护镜片，先剪一个直径为10mm的小圆纸片，并临时贴放于镜片中央部位，然后用固定发型的发油均匀地喷在镜头表面，使之镜面上形成一层浅层次的弥雾气状，然后揭掉镜头中央的小圆圈纸片，最后旋到相机镜头上，即能拍摄具有局部晕雾效果的图片。

拍摄人像摄影或者风光图片时，若在镜头前加装一片柔光镜，那么能使清晰的人物风景照产生一种光晕的美感效果。

柔光镜的作用不仅能增加整幅图片的柔和感，而且也能使画面的高亮区域产生光芒效果，更能使作品体现柔和悦目之美。

在业余拍摄条件下，无需采用专业柔光镜，也能拍摄具有柔光美感的图片。

将一小块柔光纱剪成与相机镜头相一致直径的小圆片，使用时将柔光圈直接按入在镜头前就可以拍摄了。

摄影用的柔光纱圆孔型的能起到柔和线条的效果，而采用方孔型的柔光纱，则能使图片光亮区弥散成十字线的效果，当然若我们使用加装纯白式的柔光纱拍摄，整幅图片则会呈现清晨的雾化状效果。

拍摄照片时，我们会看到在同一张照片上出现了几个相同的影像，这就是镜头上配用了分影镜头。

其实在日常业余拍摄时，采用小镜子的物体反射，也能拍出多影像的有趣照片。

透镜设计范文第5篇

在基层投资环境的建设关乎发展大局，影响开放形象。投资环境可分为两大类：一类是硬环境，指的是一个地方发展的区位条件和各项基础设施的完善配套与否。另一类是软环境，大体可分为两个类型：一是政府服务环境，重点指政府的经济调节、现场监管、公共服务和社会管理等四大职能；二是社会服务环境，包括人才、人文、人居等各类社会中介，电子商务程度，法制建设，平安安全等，对一个地方的发展而言，投资环境所包含的每一项内容都非常重要。

一、优化基层投资环境建设的重要性

现在区域发展的竞争实质上就是环境的竞争，环境是生产力、竞争力、生命力。哪个地方环境优美，设施配套，服务周到，人居环境质量高，就能对资本、技术和人才产生强大吸引力，从而把环境优势转化为经济优势，这就凸显了投资环境建设具有不可替代的重要性。但是，优化投资环境建设各地都在讲，也是招商引资的竞争点，关键是看谁能把这项工作落到实处，谁就能赢得主动。

改革开放以来，世界走一步，中国走两步。面对经济迅猛发展，党和政府针对性地提出“沿海加速、东北振兴、中部崛起、西部开发”等全面发展的经济政策，基层发展尤其要抓住此政策性机遇，抓住一次机会迎来一次发展，失去一次机会落后一个年代，一步赶不上步步赶不上、一步落后步步落后。

二、投资环境建设中存在的问题

（一）软环境问题仍然突出。一是少数领导和个别工作人员因为思想认识上的偏差，开拓创新意识不强、观念保守、不能与时俱进，缺乏进取心和责任心，不求有功但求无过，有风险的不敢干、有难度的不愿干、无先例的不肯干。二是主动服务意识不强，没有从思想深处真正树立起服务的观念，缺乏主动服务发展、服务企业、服务基层的基本意识。想问题、办事情，考虑部门利益多，考虑整体利益少，遇到事情互相推诿扯皮，配合协作不够，几个环节有时看起来跟谁都有关系，但又谁都没有责任，实际是存在协调不到位的问题。

（二）招商引资项目缺乏科学谋划、评估、论证和包装。对项目正确分析与判断是项目成功引进的前提和关键环节。在获得投资项目信息后，有必要对投资项目作进一步较为全面、深入的了解、分析与综合评估，在此基础上形成项目引进的基本判断。项目评估指标是客观的、可比的。通过综合评估，达到选优的目的。但是由于基层待遇、工作环境等问题，基层招商引资工作缺乏专业的、高端的技术人才利用本地资源、政策等优势对招商引资项目进行科学的谋划、论证、综合评估和包装等，在一定程度上严重造成新的环境污染和资源浪费。

（三）投资者耗费大量精力在“政府公关”方面。近年来，虽然基层政府致力于招商引资投资环境建设，但是政府对招商引资的政策引导、法律保护、社会环境建设投入远远不够，这就从某方面致使了一些投资者将大量精力耗费在“政府公关”方面，投资者的预期收益在几经盘剥之后难以实现，项目落地和实施也沦为空谈。

三、几点对策及建议

（一）加强基础设施和软环境建设。一是集中精力抓好城市基础设施的建设，完善工业园区配套设施，对一些关键性的基础设施，特别是主干道、水电、通讯、能源等设施应先行实施，尽快投入，迅速提升园区的建设水平和档次，以增强投资者的信心。同时在签订投资合同后要敦促投资者尽快动工，形成新的生产力，使企业能够早日投产、早出效益。另外，过去强调要为投资者提供“一站式”、“保姆式”服务，目的是使投资者有“家”的感觉，从而增强投资者的投资信心。但从多年的招商实践中我们总结出，仅仅为投资者提供“一站式”、“保姆式”服务是不够的，服务要从“一站式”、“保姆式”提升到“智囊式”。“智囊式”服务，就是要求各个招商引资工作人员充分发挥熟悉当地自然资源、人文环境、地方法规等优势，主动为投资者出主意、想办法、当参谋，解决问题，提高服务的针对性和实效性。

（二）做好项目规划和综合评估。引进专业人才，在招商引资项目规划、综合评估、包装方面加大投入力度。根据区域社会经济发展战略，注重那些能拉动经济增长、优化产业结构、消化就业压力、有效合理利用本地资源、市场前景乐观的、技术领先的项目，对于不符合国家产业政策、转移强制淘汰设备、导致环境恶化、产业结构趋同化、区域间资源争夺加剧等项目要严格限制，不能为凑数达标而降低项目选择标准。要从投资周期、投资收益、财政增收、行业分布、产业关联、吸收就业等多种指标进行规划和综合评估，加大项目对投资商的吸引力。