Метод проектирования оптической системы для концентрации излучения мощных светодиодов

Предмет исследования. Рассмотрена оптическая система, обеспечивающая концентрацию излучения светодиода, излучающего внутри полусферы, на освещаемую площадку, расположенную в ближней зоне.

Метод. Систему предлагается рассматривать в виде композиции центральной зоны, которая представляет собой классическую собирающую линзу, и рабочей зоны, отвечающей за работу с излучением светодиода в пределах угла от 40 до 90º относительно оси.

Основные результаты. Выполнен анализ вариантов с центральной зоной в виде биасферической и сфероэллиптической линзы конечной толщины. Проанализирован альтернативный вариант концентрирующей системы в составе коллимирующей линзы, которая работает на основе эффекта полного внутреннего отражения и дополнительной фокусирующей линзы. Приведены математические выражения для оценки возможной эффективности концентрации и размеров светового пятна. Показаны примеры систем, разработанных с учетом результатов теоретического анализа. Обсуждаются факторы определения выбора требуемой конфигурации системы. Представлены примеры оптических элементов, которые показали близкую к 90 % оптическую эффективность.

Практическая значимость. Предложенный подход может быть использован при проектировании светодиодных оптических систем для эффективной концентрации светового потока в некоторых оптико-электронных системах, в частности, при передаче сигнала по волоконно-оптическому жгуту.

1. Sun W.S., Chiang Y.C., Tsuei C.H. Optical design for the DLP pocket projector using LED light source // Physics Procedia. 2011. V. 19. P. 301–307. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2011.06.165

2. Ding Z., Liu Y., Ma Y., Zheng Z., Wang M., Zeng P., She J., Wu R. Direct design of thin and high-quality direct-lit LED backlight systems // IEEE Photonics Journal. 2021. V. 13. N 2. P. 9385835. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2021.3068746

3. Byzov E.V., Kravchenko S.V., Moiseev M.A., Bezus E.A., Doskolovich L.L. Optimization method for designing double-surface refractive optical elements for an extended light source // Optics Express. 2020. V. 28. N 17. P. 24431–24443. https://doi.org/10.1364/ OE.400609

4. Liu Z., Liu P., Yu F. Parametric optimization method for the design of high-efficiency free-form illumination system with a LED source // Chinese Optics Letters. 2012. V. 10. N 11. P. 112201–112201. https://doi.org/10.3788/COL201210.112201

5. Fu Q., Su C.Y., Zhou Z., He R.L. LED coupled device for fiber-optic illumination // Journal of Applied Optics. 2013. V. 34. N 1. P. 45–50. https://doi.org/10.5768/JAO201334.0101008

6. Benítez P., Miñano J.C., Blen J., Mohedano R., Chaves J., Dross O., Hernández M., Falicoff W. Simultaneous multiple surface optical design method in three dimensions // Optical Engineering. 2004. V. 43. N 7. P. 1489–1503. https://doi.org/10.1117/1.1752918

7. Wang L., Qian K., Luo Y. Discontinuous free-form lens design for prescribed irradiance // Applied Optics. 2007. V. 46. N 18. P. 3716–3723. https://doi.org/10.1364/AO.46.003716

8. Romanova G.E., Qiao X. Composition of collimating optical systems using aberration theory // Journal of Optical Technology. 2021. V. 88. N 5. P. 274–281. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000274

9. Romanova G.E., Qiao X., Strigalev V.E. Designing a side-emitting lens using the composing method // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 2. С. 147–153. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-2-147-153

10. Chen J.-J., Wang T.-Y., Huang K.-L., Liu T.-S, Tsai M.-D., Lin C.-T. Freeform lens design for LED collimating illumination // Optics Express. 2012. V. 20. N 10. P. 10984–10995. https://doi.org/10.1364/OE.20.010984

11. Chen J.-J., Lin C.-T. Freeform surface design for a light-emitting diode-based collimating lens // Optical Engineering. 2010. V. 49. N 9. P. 093001. https://doi.org/10.1117/1.3488046

12. Handbook of Optical Systems / ed. by H.Gross. WILEY-VCH Verlag, 2005.

13. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. СПб.: СПбГИТМО (ТУ), 2001. 274 с. (Серия «Выдающиеся ученые ИТМО»).

14. Zemax OpticStudio 20.3: User Manual. September 2020.