基于LED光源的投影LOGO燈設(shè)計

夏 磊，董文娟，孟 雙，吳 禹，左 慧，丁桂林

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

基于LED光源的投影LOGO燈設(shè)計

夏 磊，董文娟，孟 雙，吳 禹，左 慧，丁桂林

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

根據(jù)固體照明LED光源的特點，文中提出了一款基于3.5×3.5 mm朗伯體LED光源的緊湊型投影LOGO燈系統(tǒng)。利用成像設(shè)計軟件Code V設(shè)計一個兩片式成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)物距為2 900 mm，像距為15 mm，像高為5.792 6 mm。根據(jù)光路可逆原理，給該成像系統(tǒng)匹配一個準(zhǔn)直度高、均勻度高的光源，在LigtTools軟件中設(shè)計了一個分級準(zhǔn)直透鏡組，LED光源經(jīng)過準(zhǔn)直后角度為4.2°，光斑均勻度達(dá)到了91.7%。將兩個子系統(tǒng)結(jié)合在一起，可以在2 900 mm遠(yuǎn)的接受面投影出菲林的完整清晰的均勻圖案，圖案直徑為1 600 mm。與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)長度短、結(jié)構(gòu)簡單、投影圖案均勻度高。

照明設(shè)計；成像設(shè)計；菲林；準(zhǔn)直

LED光源作為一種能耗低，壽命長且無污染的小型光源，在照明領(lǐng)域的很多方面得到了廣泛應(yīng)用。近幾年，由于LED投影燈能夠把任何圖案以光的形式成像在任意的不透光的介質(zhì)上，可以輕易吸引人們的目光。使其在室內(nèi)烘托氣氛，室外廣告等領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。為此，很多照明團(tuán)隊都開發(fā)推出了自己的投影燈系統(tǒng)。該類系統(tǒng)基本可以分為兩部分，即照明部分和成像部分。

投影燈系統(tǒng)基本可以分為照明部分、帶有圖案的菲林片和成像部分。本文利用光學(xué)設(shè)計軟件LightTools設(shè)計照明部分和Code V設(shè)計成像部分，將系統(tǒng)導(dǎo)入LightTools進(jìn)行模擬。本文設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)簡單的投影LOGO燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)長度短，對LED光源準(zhǔn)直勻光優(yōu)化好，使得投影面圖案照度均勻清晰。

1 成像部分設(shè)計

成像部分的設(shè)計對于整個系統(tǒng)來說至關(guān)重要，不僅要結(jié)構(gòu)緊湊，易于生產(chǎn)，還要成像質(zhì)量達(dá)到要求。因為菲林片的位置是固定的，所以成像部分需要反向設(shè)計[1]，將接收面上的圖案看做物，菲林圖案看做像，菲林圖案的半徑必須小于像高，這樣菲林圖案才能被完整的投影出來。本文中將菲林圖案的半徑設(shè)置為5.5 mm，因此成像系統(tǒng)的像高不能小于5.5 mm。本文嚴(yán)格控制CRA(Chief Ray Angle，主光線入射角)的大小，在其接近0°時，照明部分則是需要經(jīng)過準(zhǔn)直的光線，根據(jù)光路可逆原理，從像面發(fā)出近似平行的光線便可以在物面上投影出來。

該成像系統(tǒng)由兩片透鏡組成，為減小球差，透鏡使用了非球面。本文需要設(shè)計一個物距2 900 mm，物高800 mm的成像系統(tǒng)。為此本文建立了一個兩片式系統(tǒng)，其中，根據(jù)物距和物高算出其最大視場角為15.4°，并設(shè)置了不同百分比的視場；此外，將系統(tǒng)波長設(shè)置為人眼最敏感的564.1 nm，初始鏡頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鏡頭初始結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出整個系統(tǒng)的光線很雜亂，從0視場到全視場的光線都不能匯聚在像面上，所以這里將兩片透鏡的曲面數(shù)據(jù)都設(shè)置成變量，并為整個系統(tǒng)設(shè)置合適的優(yōu)化變量[2-3]，從而得到本文需要的結(jié)果。

首先，需要約束兩片透鏡的厚度，本文要求兩片透鏡的中心厚度均<5 mm，邊緣厚度>1 mm；除此之外，成成像系統(tǒng)長度要求約束在35 mm以內(nèi)；最后對于成像系統(tǒng)的性能，本文有兩個要求：第一，系統(tǒng)的畸變要小于1%；第二，系統(tǒng)CRA應(yīng)<0.3°。根據(jù)上述要求，在Code V里寫了9條約束[4]。

多次優(yōu)化后的鏡頭結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，優(yōu)化后從光闌到像面的距離為34.685 9 mm，符合<35 mm的目標(biāo)，另外從鏡頭光線追跡圖可以看出光線近乎垂直入射到像面上。而關(guān)乎到整個系統(tǒng)質(zhì)量的MTF曲線，在空間最大頻率設(shè)置到60 cycles/mm時，其結(jié)果如圖2(b)所示。

圖2 優(yōu)化結(jié)果

綜上所述，本文的成像部分長度為34.685 9 mm，物距為2 900 mm，像距為15 mm，最大視場畸變?yōu)?0.01，CRA為0.289 5°，像高為5.792 6 mm。并且，從圖2(b)中可以看出成像系統(tǒng)的每個視場的傳遞函數(shù)均>0.6，成像質(zhì)量符合要求。

2 照明部分設(shè)計

照明部分也可稱為光線準(zhǔn)直部分，并且要保證得到準(zhǔn)直的光線在被照面上形成的光斑足夠均勻，這樣才能保證光線經(jīng)過成像部分投影出來的圖案均勻度[5-6]。本文在LightTools軟件中，將LED光源通過凸透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，其原理如圖3所示，在透鏡立體角范圍內(nèi)的光線經(jīng)過透鏡，得到了準(zhǔn)直。但是LED光源是擴(kuò)展光源，有一定的大小體積，由于透鏡尺寸的限制，LED光源經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡以后，準(zhǔn)直度并不能滿足投影燈的照明需求。

圖3 準(zhǔn)直原理圖

為驗證上述問題，本文在LightTools軟件里建立了一個直徑為20 mm厚度為5 mm的凸透鏡，透鏡材料為透光率為93%的PMMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)，透鏡距離光源為5 mm。本文使用CREE公司型號為XP-E的光源，并在距離光源25 mm處建立一個直徑為25 mm的接收面。

對上述系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)直和均勻度優(yōu)化[7-8]。首先，將凸透鏡的兩個光學(xué)面設(shè)置為二次曲面，并將二次系數(shù)、半徑以及透鏡的z方向坐標(biāo)設(shè)置為優(yōu)化變量，優(yōu)化結(jié)果如圖4所示。

圖4 單透鏡優(yōu)化結(jié)果

從圖4(a)中可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后的透鏡厚度由剛開始的5 mm變?yōu)?9.68 mm，對于直徑為20 mm的透鏡來說，這樣的厚度，在生產(chǎn)中很容易出現(xiàn)縮水等質(zhì)量問題。而且生產(chǎn)周期比較長，生產(chǎn)效率低[9-10]。此外，從圖4(b)中可以看出，接受面上的光斑均勻度不夠，本文用取點法，在圖中直徑12 mm以內(nèi)取25個點的照度值，算出其均勻度為85.3%。圖4(c)是接受面上光斑的光強分布曲線，從圖中可以看出光斑的半光強角為5°，基本滿足投影LOGO燈的照明設(shè)計要求。但是，光斑的均勻度越高，光線的角度越小，最終投影出來的圖案就越清晰，均勻度也越高。

針對上述問題，使用兩片凸透鏡，將LED光源進(jìn)行分級準(zhǔn)直。首先，在LightTools里建立一個直徑為20 mm的凸透鏡，在優(yōu)化時，將透鏡距離光源的距離和透鏡的厚度分別設(shè)置為變量，厚度約束在12 mm以內(nèi)，光源發(fā)出的光線被第一片凸透鏡初步準(zhǔn)直，為第二片透鏡提供一個相對較小的入射角[11]，最終優(yōu)化后得到的兩片透鏡結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙透鏡優(yōu)化結(jié)果

圖5中的兩片透鏡相對圖4中的透鏡厚度薄了很多，這對于生產(chǎn)效率和品質(zhì)控制來說，都有大幅提高。而在接受面上的光版圖以及準(zhǔn)直以后的角度如圖6所示。

圖6 雙透鏡準(zhǔn)直照度圖和光強分布圖

這里同樣使用取點法，算出雙透鏡準(zhǔn)直后，圖6(a)中光斑直徑12 mm以內(nèi)的照度均勻度為91.7%。相比單透鏡準(zhǔn)直來說，均勻度提高了6.4%。圖6(b)中的半光強角為4.2°，比單片透鏡準(zhǔn)直時的5°提高了0.8°，縮小了16%。這對于小角度照明來說，是較大提高[12-13]。

3 照明部分與成像部分合并

上文已分別完成了照明部分和成像部分的獨立設(shè)計，當(dāng)兩部分組合在一起時，在像面位置插入一片帶有圖案的菲林片，整個系統(tǒng)是否能夠達(dá)到預(yù)期效果還需要做進(jìn)一步驗證。這里需要確定的問題有兩個：第一，最終系統(tǒng)是否能夠投出菲林完整的圖案；第二，投影出來的圖案是否清晰，銳度高，沒有拖影等問題[3]。

將CodeV中設(shè)計成像系統(tǒng)的3D導(dǎo)入LightTools中，并設(shè)置相應(yīng)的材料，在3D建模軟件SolidWorks中畫一個帶有鏤空幾何圖案的菲林片，并導(dǎo)入LightTools，將整個菲林3D設(shè)置為吸收體[14-15]，這樣就只有鏤空部分的幾何圖案可以透光。在軟件里設(shè)置好3部分的相對位置，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)從光源位置到成像透鏡最后一個面的距離為64.4 mm，結(jié)構(gòu)緊湊，便于生產(chǎn)安裝[16-17]。本文分別使用了多種幾何圖案的菲林片進(jìn)行模擬，投影面上得到的投影圖案如圖8所示。

圖8 投影圖案

從圖8中4幅不同的圖案可以看出，對于不同形狀的圖案，系統(tǒng)都可以投出清晰的圖案，完全可以滿足日常投影LOGO燈的實際應(yīng)用。

4 結(jié)束語

投影燈在日常裝飾營造氛圍以及廣告投射方面得到了廣泛應(yīng)用，但部分產(chǎn)品的系統(tǒng)較長，且均勻度和成像質(zhì)量不高。本文針對這一系列問題，使用LightTools和CodeV，分別設(shè)計勻光準(zhǔn)直部分和成像部分，其中照明部分透鏡曲面使用了二次曲面，相比球面來說，在透鏡厚度限制在12 mm以內(nèi)的情況下，能夠更好地準(zhǔn)直光線，并且使用兩片透鏡分級準(zhǔn)直，均勻度提高了6.4%。成像部分的透鏡曲面使用了非球面，有效減小了球差，成像質(zhì)量相比使用球面的透鏡有大幅提高。

本文在照明部分和成像部分都控制了透鏡的厚度和系統(tǒng)的長度，使得整個系統(tǒng)的鏡片易于生產(chǎn)，注塑周期短，有效降低了生產(chǎn)成本。最后得到的整個系統(tǒng)長度為64.4 mm，便于安裝攜帶，可廣泛應(yīng)用于室內(nèi)裝飾以及廣告LOGO投射。

[1] 張鑫,屠其菲,宋賢杰.投影燈的光學(xué)設(shè)計[J].照明工程學(xué)報, 2004(3):14-16.

[2] 張彤.愛華投影燈(AHP)—中國造[J].現(xiàn)代顯示,2003(2):23-24.

[3] 繆瑩瑩.基于LED照明的DLP投影顯示系統(tǒng)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2007.

[4] 沈默.LED投影顯示照明系統(tǒng)研究[D].杭州:浙江大學(xué),2006 .

[5] 嚴(yán)強,高椿明,生艷梅,等.LED 照明準(zhǔn)直透鏡結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2013,50(11): 203-208.

[6] 程治明,曾平,張志海,等.與 LED 發(fā)光面平行平面上多向準(zhǔn)直光束的研究[J].光學(xué)學(xué)報,2014,34(10):63-68.

[7] Wang Guangzhen,Wang Lili,Li Fuli,et al.Collimating lens for light- emitting- diode light source based on non-imaging optics[J]. Application Optimal,2012,51(11):1654-1659.

[8] Chen Jinjia,Lin Chintang.Freeform surface design for a light-emitting diode based collimating lens[J].Optimal Engineering,2010,49(9):3001-3009.

[9] 郝劍,劉華,孫強,等.LED自由曲面準(zhǔn)直透鏡的優(yōu)化設(shè)計方法[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2014,51(3):302-309.

[10] 成都愛維科創(chuàng)科技有限公司.一種具有多級光學(xué)準(zhǔn)直功能的光電兩用投光燈:中國,104373883[P].2014-11-05.

[11] 荊雷,劉華.緊湊型高亮度發(fā)光二極管準(zhǔn)直鏡設(shè)計[J].光學(xué)學(xué)報,2011(12):194-199.

[12] 韓敏.大尺寸LED光源準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計與應(yīng)用[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2016.

[13] 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(xué)學(xué)報,2012,32(2):2-8.

[14] 張航,梁雪,嚴(yán)金華,等.LED 準(zhǔn)直器設(shè)計中復(fù)合拋物面同步多曲面方法[J].光學(xué)學(xué)報,2012,32(9):4-8.

[15] 蘇宙平,闕立志,朱焯煒,等.用于 LED 光源準(zhǔn)直的緊湊型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2012,49(2):203-209.

[16] 羅曉霞,劉華,盧振武,等. 實現(xiàn) LED 準(zhǔn)直照明的優(yōu)化設(shè)計[J].光子學(xué)報,2011,40(9):1351-1355.

[17] 王未未.基于TIR結(jié)構(gòu)的LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子科技,2016,29(1):5-8.

Design of Projection LOGO Lamp Based on LED Light Source

XIA Lei,DONG Wenjuan, MENG Shuang, WU Yu, ZUO Hui, DING Guilin

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

According to the characteristic of LED light source, here presented a compact projection of LOGO lamp based on 3.5×3.5 mm Lambert emission LED light source. Using Code V designed a two-slice imaging system, the object distance is 2900 mm, the image distance is 15 mm, and the image height is 5.7926 mm. According to the reversibility of optical path, To match a light source with small angle and high uniformity for the imaging system, a two-slice collimate system was designed in LightTools. The angle of light is 4.2°after the collimation, and the uniformity reached 91.7%. At last, put the two subsystems into LightTools, the results with a complete and clear uniform-pattern, the diameter of the pattern is 1600mm on the receiving plane, which was 2900 mm away from the entire system. Compared with the current systems, it has the advantages of shorter length, more simple structure and high uniformity.

illumination design;imaging design;film;collimate

2017- 03- 16

江蘇省2015年普通高校專業(yè)學(xué)位研究生創(chuàng)新計劃項目(SJZZ15_0129)

夏磊(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方面的研究。丁桂林(1957-)，男，博士，教授。研究方向：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計和激光傳輸與控制。

TN312

A

1007-7820(2018)01-038-04