自由曲面LED準直透鏡設(shè)計

杜國紅　吳一新　陳亮　杜罡　劉楊　石巖

摘 要：LED作為下一代的主流光源擁有各種傳統(tǒng)光源無可替代的優(yōu)勢。但是由于獨特的發(fā)光機理，在使用LED光源時需要為其重新進行光學設(shè)計來滿足實際的照明需求，而準直照明是其中的重要部分。LED準直透鏡對光線準直度有著重要的影響，合理的透鏡結(jié)構(gòu)有利于提升LED照明光源的二次配光。本文將自由曲面作為準直透鏡設(shè)計選擇的表面結(jié)構(gòu)，綜合其各個方面的優(yōu)點，非常適合LED準直透鏡設(shè)計。

關(guān)鍵詞：自由曲面；光學設(shè)計；LED； 準直透鏡

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.254

0 引言

LED作為第四代照明光源，擁有諸多的優(yōu)點，被應(yīng)用在許多領(lǐng)域。LED光源具有體積小、效率高、響應(yīng)快、易調(diào)光、色域范圍寬、無汞污染、使用壽命長等特點，是一種節(jié)能環(huán)保的新型光源[1-2]。LED透鏡與LED光源一起構(gòu)成完整的光學系統(tǒng)，透鏡使用的目的是為了能夠增強光的使用效率和發(fā)光效率。因此在不同條件下，使用與之相匹配的透鏡，將可以改變LED照明系統(tǒng)的光場分布。LED準直透鏡對光線準直度有著重要的影響，合理的透鏡結(jié)構(gòu)有利于提升LED照明光源的二次配光。不同結(jié)構(gòu)的LED準直光學透鏡，各有特點，對LED光源的準直效果也不相同。自由曲面作為準直透鏡設(shè)計選擇的表面結(jié)構(gòu)，綜合其各個方面的優(yōu)點，非常適合LED準直透鏡設(shè)計。本文考慮了LED的發(fā)光特性，介紹了用于LED準直自由曲面透鏡設(shè)計方法，并介紹了一個設(shè)計實例。

1 自由曲面與LED準直透鏡

自由曲面是最復(fù)雜而又經(jīng)常使用的曲面，在許多領(lǐng)域中很多零件的外形均為自由曲面，如：飛機機翼、汽車外形、模具工件表面等[3]。

自由曲面的求解方法主要有：剪裁法、劃分網(wǎng)格法和SMS法。[4]剪裁法的基本思路是利用目標面的照度分布以及光源特性等數(shù)據(jù)列出一個關(guān)于光學面形的非線性偏微分方程組，通過求解微分方程組，得到相應(yīng)的光學表面。例如偏微分方程組數(shù)值求解法，大多被用于設(shè)計均勻照明的自由曲面透鏡；基于光學擴展量守恒思想，主要是用于LED路燈透鏡設(shè)計等。劃分網(wǎng)格法的基本思路是邊緣光線理論，然后再通過求解能量守恒方程，從未得到光源每小網(wǎng)格與目標平面每小網(wǎng)格能量的相對應(yīng)的關(guān)系，最后通過斯涅耳定律來構(gòu)造曲面結(jié)構(gòu)。SMS 法主要是針對擴展光源設(shè)計的方法，這個方法可以運用于透鏡多個表面的設(shè)計，來調(diào)節(jié)光源發(fā)出的兩個波面，使其變換成兩個輸出波面。但是這種方法存在著一個確定，那就是求解比較繁瑣，以至于設(shè)計難度增加。

要注意到的是在解決照明問題時，如果從光線追跡的角度看，可以發(fā)現(xiàn)光源與照明目標面上的點并不存在一一對應(yīng)的關(guān)系；擴展光源上的每一個點可能都與整個照明目標面相對應(yīng)，最終實現(xiàn)目標面的特定照度分布。基于非成像光學理論的照明系統(tǒng)，主要包括CPC、自由曲面等照明系統(tǒng)。[5]

LED準直透鏡。平行光在光學測量中有著非常重要的作用，干涉儀、平行光管等使用的都是平行光。目前市場上最好的LED二次光學透鏡得到的平行光的光束角都比±5°差。如果能得到光束角更小的LED光源，特別是大功率LED的平行光光源，無疑將擴大LED光源的應(yīng)用范圍。隨著新增的應(yīng)用領(lǐng)域，對LED照明光線的要求也不斷的增加。目前，通過二次光學元件的應(yīng)用，LED照明系統(tǒng)的光學利用率基本上在80%～90%。照明距離維持在600m左右。因此，為了能夠滿足LED照明的需求，我們需要通過不斷優(yōu)化LED及其燈具，使得發(fā)光效率得以提高，照明距離能過變得更遠。

2 自由曲面的設(shè)計方法

根據(jù)以往的幾何光學的分析，如圖1所示，我們可以使用下面的過程，在自由曲面上找到每一個反射或折射點，為了其二維輪廓可以分步實施。圖1說明了從光源發(fā)射和重定向的自由曲面反射面到規(guī)定的方向平行于光軸的光線。紅色線為i0，i1，i2和i3分別代表對于任意假定的光線，這些光線是從光源S發(fā)出，然后擊中反射表面分別在點P0，P1，P2，P3。P0事二維輪廓的起始點，并且是按照表面設(shè)計要求給定的。藍色虛線的向量T0，T1，T2，是用于構(gòu)建二維輪廓，分別表示在點P0，P1和P2的切線向量。

所有通過以上兩種方法計算得出的點坐標都將輸入matlab進行曲線擬合，從而得到光滑的曲線來表達該段自由曲面通過給出的自由曲面。最后將各段曲線連接后即可得到所求的準直透鏡的整體面型。

3 設(shè)計實例

利用以上方法，進行了旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面的設(shè)計，獲得的自由曲面透鏡。

通過比較三組不同入射口徑，相同結(jié)構(gòu)的自由曲面準直透鏡來對LED準直透鏡進行研究，它們的口徑分別為16cm、20cm、24cm。在光源相同、接收板距離相同的條件下，經(jīng)過tracepro光學仿真，得到以下數(shù)據(jù)。

結(jié)合圖4和圖5，可得接收面上最高點光通量的50%所對應(yīng)的橫坐標就是半角大小，最高點光通量20%對應(yīng)的橫坐標的兩倍就是全角大小。

接收面上最高點光通量的50%所對應(yīng)最高點光通量20%對應(yīng)的橫坐標的兩倍就是全角大小。

4 結(jié)論

利用自有曲面設(shè)計的LED準直透鏡在不同孔徑下都有著優(yōu)秀的準直效果。在不同的場合選用合適的方法和初始結(jié)構(gòu)來設(shè)計自由曲面準直透鏡能明顯提升照明效率。所以，以自由曲面作為準直透鏡設(shè)計選擇的表面結(jié)構(gòu)，擁有良好的的適應(yīng)性等諸多優(yōu)點，適合作為準直透鏡的設(shè)計基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]嚴萍，李劍清.照明用LED光學系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)計[J].半導(dǎo)體光電，2004，25（03）：181-200.

[2]李林，王光珍，王麗莉等.實現(xiàn)均勻照明的LED系統(tǒng)設(shè)計方法[J].光學學報，2012，32（02）：0222002.

[3]朱娟.自由曲線面可視化生成與處理系統(tǒng)[D].東北大學，2008.

[4]王愷.大功率LED封裝與應(yīng)用的自由曲面光學研究[D].華中科技大學，2011.

[5]王聲學，吳廣寧等.LED照明及其原理應(yīng)用[J].燈與照明，2006（04）：10-18.