LED均勻照明自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)探討及其實(shí)現(xiàn)

林明丈

摘 要：隨著科技水平的不斷進(jìn)步，半導(dǎo)體行業(yè)得到了迅速發(fā)展，其中發(fā)光二極管憑借較高的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，被應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)方面，受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。由于LED均勻照明的實(shí)現(xiàn)需要借助自由曲面透鏡，因此對(duì)自由曲面透鏡設(shè)計(jì)問(wèn)題加以探討具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管；LED均勻照明；自由曲面透鏡；設(shè)計(jì)方法

中圖分類號(hào)：TN94 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

近幾年來(lái)，伴隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，各種新型光源被開(kāi)發(fā)出來(lái)并得到了廣泛應(yīng)用，LED就是新型光源之一，其突出的特點(diǎn)就是“綠色環(huán)?！?，不僅具有較高的發(fā)光效率，同時(shí)使用壽命也較傳統(tǒng)光源多出近十倍以上。然而LED光源與朗伯光源類似，難以實(shí)現(xiàn)均勻照明，為了克服這一難題，需要對(duì)自由曲面透鏡加以設(shè)計(jì)，通過(guò)自由曲面的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)LED的均勻照明。

一、LED光源特性的簡(jiǎn)單概述

LED是發(fā)光二極管的英文縮寫，雖然同是固態(tài)的發(fā)光器件，但是它與傳統(tǒng)光源有著明顯不同，從材質(zhì)上講LED屬于半導(dǎo)體材料，具有普通導(dǎo)體十倍以上的發(fā)光頻率和百倍的響應(yīng)速度，同時(shí)LED自身重量較輕且體積較小，因此其適用范圍也有所增加；從光源特性上分析，LED光源與朗伯光源極其相近，LED光分布呈現(xiàn)余弦分布，且余弦分布的角度為零，簡(jiǎn)單講就是光沿著垂直于發(fā)光面的軸線進(jìn)行，基于此，LED的光強(qiáng)變化具有以下規(guī)律：I（Ф）=I0×COS（Ф），在此等式中Ф代表分布的光線與發(fā)光面垂線所構(gòu)成的夾角，該夾角最大會(huì)達(dá)到90°，式中I0則為夾角為零時(shí)的光強(qiáng)，也就是沿垂線的光線強(qiáng)度。通過(guò)以上公式不難看出，LED用于照明時(shí)所形成的光線會(huì)呈現(xiàn)由中心向四周由強(qiáng)變?nèi)醯姆植?，即形成不均勻的圓形光斑，如果在不進(jìn)行處理的情況下將LED直接用于照明使用，這種不均勻的光源分布會(huì)給生活帶來(lái)不便，不利于LED在個(gè)領(lǐng)域的運(yùn)用。為了實(shí)現(xiàn)LED均勻照明，克服不均勻圓形光斑，在投入使用前需要進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，從而提高LED的發(fā)光效率。

二、自由曲面透鏡設(shè)計(jì)的重要性

根據(jù)以上分析可知，由于LED光強(qiáng)變化規(guī)律影響，如果將LED光源直接用于照明，照明效果不佳，不僅會(huì)出現(xiàn)圓形的不均勻光斑，同時(shí)其發(fā)光效率較低，為了克服這些缺點(diǎn)，需要對(duì)LED光源進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，就是在無(wú)能量損耗或者能量損耗極小的情況下，實(shí)現(xiàn)LED光源的均勻照明。基于自由曲面具有控制光線角度和分配光強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)LED均勻照明中被廣泛采用。我們知道發(fā)光二極管體積較小，其芯片大小一般為1mm×1mm，因此可將LED視為點(diǎn)光源進(jìn)行配光設(shè)計(jì)，通過(guò)控制光線的發(fā)光角度，使光線均勻的分布在發(fā)光面上，根據(jù)多年的研究經(jīng)驗(yàn)表明，自由曲線透鏡可實(shí)現(xiàn)LED均勻照明的效果，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的具體分析，設(shè)計(jì)自由曲面透鏡具有重要的意義。自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)，不僅克服了LED自身存在的缺陷，同時(shí)還提高LED光源的發(fā)光效率，進(jìn)一步擴(kuò)大LED在社會(huì)生活中的應(yīng)用范圍。

三、自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法

顧名思義，自由曲面具有明顯的不規(guī)則性，其曲面主要是自由實(shí)現(xiàn)的，難以用統(tǒng)一的表達(dá)公式進(jìn)行描述，因此在進(jìn)行透鏡設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)具有一定的難度。目前，我國(guó)主要采用的自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法有兩種，其中微分方程法最為普遍，其次便是劃分網(wǎng)格法，除此之外還有其他的一些設(shè)計(jì)方法，比如說(shuō)SMS方法、參數(shù)優(yōu)化法。本文主要通過(guò)對(duì)劃分網(wǎng)格法和微分方程法進(jìn)行具體分析，望能為同行業(yè)人士帶來(lái)借鑒與參考。

（一）劃分網(wǎng)格法

1 劃分網(wǎng)格法的簡(jiǎn)要概述

劃分網(wǎng)格法用于透鏡設(shè)計(jì)非常的直觀，主要是在遵守能量守恒原理的情況下，對(duì)LED光源和其照明面進(jìn)行同規(guī)則的分割，實(shí)現(xiàn)光源對(duì)應(yīng)點(diǎn)與照明面的映射關(guān)系，之后通過(guò)迭代計(jì)算求解面型數(shù)據(jù)。因此這種設(shè)計(jì)方法具有非常高的精準(zhǔn)性，同時(shí)由于不需要誤差分析，設(shè)計(jì)效率也較高。

2 設(shè)計(jì)原理

圖1是自由曲面透鏡表面生成示意圖，自由曲面透鏡設(shè)計(jì)采用劃分網(wǎng)格法時(shí)，其設(shè)計(jì)原理如下：

首先，選擇LED光源的出射角度，在光源的出關(guān)方向構(gòu)建平面坐標(biāo)系，給定照明面的初始點(diǎn)后，根據(jù)能量守恒原理進(jìn)行計(jì)算，確定光源離散點(diǎn)與照明面給定點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成第一個(gè)LED光源I0與照明面的映射關(guān)系的計(jì)算。

最后，通過(guò)以上初始點(diǎn)的切平面確定曲面的第二個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)Q11，該點(diǎn)即為第二條入射光線I11與切平面的交點(diǎn)，以此類推，從而得出全部光源對(duì)應(yīng)點(diǎn)與照明面的映射關(guān)系。借助與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，將以上所有映射關(guān)系進(jìn)行迭代計(jì)算，自由曲面的表面坐標(biāo)從而確定，其面型也相應(yīng)得出。

（二）微分方程法

1 微分方程法的簡(jiǎn)要概述

微分方程法主要通過(guò)利用偏微分方程求解，將自由曲面的面型數(shù)據(jù)計(jì)算得出，由于該方法具有非常強(qiáng)的目的性，因此獲得面型數(shù)據(jù)的時(shí)間較短，但是由于偏微分求解較為困難，同時(shí)自然界還存在很多的不可解方程，因此需要設(shè)計(jì)人員具有很強(qiáng)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

2 設(shè)計(jì)原理

微分方程法求解自由曲面的面型數(shù)據(jù)時(shí)，最關(guān)鍵的是構(gòu)建微分方程，通過(guò)自由曲面上點(diǎn)與照射平面點(diǎn)之間的關(guān)系，得出一階偏微分，再根據(jù)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算求解。基于此，首先應(yīng)通過(guò)坐標(biāo)系的建立明確光點(diǎn)位置，通過(guò)空間坐標(biāo)的構(gòu)建，結(jié)合能量守恒原理公式，將兩點(diǎn)的關(guān)系式進(jìn)行表達(dá)。根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，LED光源應(yīng)為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，假設(shè)三維坐標(biāo)系上自由曲面有一點(diǎn)p（θ，Φ，p（θ，Φ，）），同時(shí)用t（x，y，z）來(lái)表示照明面上的一點(diǎn)，利用光的折射定量和能量守恒定量，將點(diǎn)P與點(diǎn)t之間的關(guān)系表達(dá)出來(lái)，從而能夠得出p（θ，Φ）在θ與Φ的一階微分方程式，根據(jù)數(shù)值進(jìn)行求解即可得出對(duì)應(yīng)的自由曲面的面型數(shù)據(jù)。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，由于LED直接用于照明時(shí)會(huì)產(chǎn)生不均勻的圓形光斑，而自由曲面可控制光線角度，可對(duì)LED在照明使用時(shí)的這種不足進(jìn)行彌補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)LED均勻照明，因此對(duì)自由曲面透鏡設(shè)計(jì)具有重要意義，可大大提高LED的發(fā)光效率。隨著科技水平的不斷發(fā)展，自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法不斷的推陳出新，人們加大了對(duì)透鏡的設(shè)計(jì)，促進(jìn)了LED在社會(huì)生活中的廣泛應(yīng)用。

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