適用于LED陣列光源的新型雙層TIR透鏡設計

韓 敏，葉正南，施悅強，丁桂林

(1. 江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 深圳市鑫希葉光電有限公司，廣東 深圳 518000)

適用于LED陣列光源的新型雙層TIR透鏡設計

韓 敏1，葉正南2，施悅強1，丁桂林1

(1. 江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2. 深圳市鑫希葉光電有限公司，廣東 深圳 518000)

針對貼片LED陣列光源，文中提出了一種新型雙層全內(nèi)反射透鏡結構，并利用LightTools -SolidWorks橋?qū)ζ溥M行設計與優(yōu)化,光斑的芯片成像與黃斑問題得到了解決。透鏡最大外徑為40 mm，透鏡總高為12 mm，實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的緊湊小型化，實際的軟件模擬和測量結果表明，透鏡匹配3×3陣列的貼片3030LED光源后，光學效率高達85%以上，光斑均勻，無明顯黃斑現(xiàn)象。此款透鏡被用于實際射燈燈具中。

照明設計；LED陣列光源；雙層透鏡；黃斑問題；芯片成像

集成光源(COB光源)[1-4]在如PAR燈和MR燈中應用廣泛，但隨著光學透鏡設計的水平不斷提高和各類貼片LED(SMD)光源價格的一降再降，這兩年以組合式和集成式SMD光源(3030、5050、2835等)為主流的LED陣列光源替代了COB光源已經(jīng)大量應用。自身結構問題使得LED陣列光源的二次光學設計比COB光源更加困難。因此，針對LED陣列光源的二次光學設計進行研究是具有實際的研究意義和社會價值的。

近幾年，有一些研究人員對LED芯片陣列光源的特性和二次光學設計進行了研究[5-8]。本文針對LED陣列光源提出了一種新型雙層鱗甲透鏡結構，并運用試錯法設計了一款匹配3×3陣列的SMD 3030光源實際應用的透鏡產(chǎn)品，既可達到照明設計要求，又可以保證照明系統(tǒng)的緊湊小型化。本文還利用LightTools對遇到的芯片成像與黃斑問題進行了光斑勻化與褪黃處理。

1 LED陣列光源模型建立

從圖1可看出，由于引角和焊錫的原因，相鄰SMD 3030之間縫隙至少>0.3 mm，縫隙里沒有熒光粉，且大多數(shù)SMD 3030中也有兩個LED發(fā)光芯片，這些使得LED陣列光源的二次光學設計比COB光源更加困難。復雜的光源模型的建立是至關重要的，光源建立準確無誤是二次光學設計成功的關鍵?？紤]到焊點直徑大小約在0.1 mm，每顆LED相對的兩單邊預留的焊點位置0.15 mm，如圖2所示，X方向，相鄰LED的間距是0.3 mm，Y方向是0.1 mm。單顆3030LED的模擬光源文件(ray file)是用積分球測試得到的。

圖1 LED陣列光源

圖2 3×3LED陣列CAD示意圖

2 雙層TIR透鏡的設計

2.1 雙層TIR透鏡的初步設計

自由曲面透鏡的設計方法主要有試錯法、幾何解法和微分方程解法[9-12]。鑒于雙層結構及光線控制的復雜性，本文選擇軟件直接實現(xiàn)透鏡的優(yōu)化設計。首先在SolidWorks建立透鏡模型，利用LightTools- SolidWorks橋?qū)崿F(xiàn)在LightTools里光學仿真，SolidWorks里透鏡模型的變化可即時顯示在LightTools里，比TracePro方便很多，極大程度縮短了設計周期。

本文的設計目標是為選定的3×3陣列光源設計一個光束角為30°、光斑過渡均勻、效率高于85%的透鏡。在達到相同角度、照度和光斑均勻度要求的情況下，相比于普通的TIR透鏡和反光杯，本文提出一種新型雙層TIR(Total Internal Reflection)透鏡，類似兩個TIR透鏡銜接在一起，可有效降低透鏡的口徑和高度，前出光面設計可為內(nèi)凹曲線，不僅可對出射光進行調(diào)整，還可縮短生產(chǎn)注塑周期，降低產(chǎn)品的成本。材料選用韌性好的PC(聚碳酸酯，Polycarbonate)。

圖3 光線追際示意圖

如圖3所示，K線把光線分為兩個部分，K線以上部分光線進入外層反射面，K線以下部分光線分別進入內(nèi)層反射面和內(nèi)層折射面。根據(jù)斯涅爾(Snell)定律可知，通過控制反射面輪廓線上各個點上的傾斜度來控制光線出射方向。因此，通過對圖3中樣條曲線上的各個點的調(diào)整，可實現(xiàn)對透鏡發(fā)散角的控制。經(jīng)過反復的仿真與修正發(fā)現(xiàn)，雖角度已達到設計要求，但光斑整體呈方形，光斑不均勻，通過LightTools可看出光斑有明顯黃光，如圖4所示。

圖4 LightTools光學仿真的照度圖及真彩圖

結果分析：(1)如圖1和圖2所示，光源類似一個發(fā)光面尺寸為9.2 mm×9.6 mm的LED芯片陣列光源，必然會出現(xiàn)著芯片成像問題；(2)白光LED熒光涂層厚度不均勻從而產(chǎn)生具有輕微黃色或藍色的區(qū)域，匹配透鏡后，這些黃光或藍光會被集中到光斑的中間或周圍，色溫較低的貼片光源出現(xiàn)的黃斑問題的概率高，影響光斑質(zhì)量[13-15]。

2.2 光斑勻化和褪黃設計

常見的勻光結構是復眼，常用在透鏡的透射部分，還有一種文獻中少見的勻光結構---鱗甲，常用在透鏡的全反射部分。為了解決遇到的芯片成像和黃斑問題，對雙層透鏡進行以下勻光處理：(1)在出射面的正中間加上了復眼結構，以勻化從入射孔折射到出射面的光線；(2)將每一層外側面都設計為鱗甲面，以對反射光進行勻化。兩種勻化方法組合后，共有5種勻化方式：(a)只加淺凸面鱗甲；(b)只加深凸面鱗甲；(c)只加復眼；(d)淺凸面鱗甲加復眼；(e)深凸面鱗甲加復眼。通過觀察LightTools的真色彩仿真圖可發(fā)現(xiàn)，添加以上五種勻光結構后，光斑的均勻性和黃斑的變化都發(fā)生了不同程度的變化，如圖5和表1所示。

通過比較圖5(a)和圖5(b)，發(fā)現(xiàn)小鱗甲越凸勻光效果越好，但是黃斑依然清晰可見。而圖5(c)中的黃斑明顯減弱，但芯片成像問題比較明顯。圖5(d)和圖5(e)中的光斑黃斑已經(jīng)基本消失，芯片成像問題也明顯減弱，圖5(e)中的光斑變得更均勻。如表1所示，方式e比d的光學效率低，角度也比設計目標稍大。綜合比較，最終確定方式d，最終的透鏡結構如圖6所示，最終的1 m遠照度圖和配光曲線如圖7所示。

表1 添加不同勻光結構透鏡光學參數(shù)表

圖5 LightTools仿真5種勻光方式的真彩圖

圖6 雙層TIR透鏡的最終3D模型

圖7 最終1 m遠照度圖及配光曲線

3 產(chǎn)品測試

經(jīng)過一系列的模具設計與制作，將設計的透鏡制作出來，如圖8所示。透鏡匹配3×3陣列的SMD3030光源后生成了一個圓形光斑，光線柔和，光斑均勻，無芯片成像和明顯黃斑現(xiàn)象，如圖9所示，使用遠方光度分布測試儀對透鏡進行測試，測試角度為28.1°，光學效率達85%。經(jīng)分析，角度誤差的產(chǎn)生來源于模具精雕加工精度和拋光變形。透鏡最大外徑為40 mm，透鏡總高為12 mm，小型而緊湊，滿足客戶對價格與照明的要求，已批量用于實際的射燈燈具上。

圖8 單顆透鏡產(chǎn)品外觀圖

圖9 光學測試結果

4 結束語

本研究鑒于LED陣列光源的特殊性和雙層透鏡結構的復雜性，采用的是試錯法設計，利用LightTools-SolidWorks橋設計和優(yōu)化。透鏡最大外徑為40 mm，透鏡總高只有12 mm，匹配3×3陣列的SMD3030LED光源后，效率高達85%。與普通TIR和反光杯相比，本文提出的新型雙層TIR透鏡可有效降低透鏡的口徑和高度。此外，透鏡每層全反射面都設計成鱗甲面，出光面中心位置設計成復眼面，光線柔和，光斑均勻，可以有效地克服光斑的芯片成像與黃斑問題。這種雙層鱗甲透鏡不僅成本低，還實現(xiàn)了照明系統(tǒng)的緊湊小型化，在COB光源或者LED陣列光源的應用方面具有推廣價值。

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Research and Design of Novel Double-layer TIR Lens for LED Source Array

HAN Min1，YE Zhengnan2，SHI Yueqiang1，DING Guilin1

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China;2. Shenzhen Xinxiye Photoelectric Co.,Ltd.,Shenzhen 518000, China)

A novel LED double-layer TIR(Total Internal Reflection) lens was proposed for the LED source array. And LightTools-SolidWorks bridge was used to design and optimize．The Die-Imaging and Yellow Hue Phenomena of spot was solved．The maximum diameter of the double-layer lens was 40 mm, height was only12 mm, the double-layer lens has advantage of compact and miniaturization. The simulation and experiment results show that the efficiency of the light system were efficiency up to85% While the lens matched with SMD 3030 LED of 3×3 array. Light is soft and uniform and has no obvious Yellow Hue Phenomena．The lens is used for the actual spotlight.

illumination design; LED source array; double-layer lens; yellow hue phenomena; die-imaging

2016- 04- 25

韓敏(1991-)，女，碩士研究生。研究方向：光學系統(tǒng)設計。丁桂林(1957-)，男，博士，教授。研究方向：光學系統(tǒng)設計和激光傳輸與控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.04.032

TN29;TB133

A

1007-7820(2017)04-128-04