基于LED光源可自由轉(zhuǎn)化光斑形狀大小的組合透鏡

吳 禹，夏 磊，董文娟，呂 柳，丁桂林

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

近年來(lái)，隨著LED光源技術(shù)的發(fā)展成熟，其應(yīng)用范圍也是越來(lái)越廣，相比于白熾燈、熒光燈，LED照明更加的節(jié)能環(huán)保，同等光源照度的情況下LED功率要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的照明燈具，用電量低，效率更是高出傳統(tǒng)光源80%，同時(shí)也不含有害物質(zhì)或有毒氣體，無(wú)輻射，屬于典型的綠色光源；使用壽命更長(zhǎng)，采取的固態(tài)光源，光源熱度低，工作電壓小，不會(huì)因高壓而損壞，采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，經(jīng)久耐用[1-2]。而經(jīng)過(guò)LED光源在經(jīng)過(guò)二次配光后能較好地滿(mǎn)足道路照明、景觀燈、裝飾燈等要求[3-4]，通過(guò)采用自由曲面設(shè)計(jì)的透鏡能產(chǎn)生不同角度、不同形狀的光斑[5]。然而目前的各類(lèi)透鏡都過(guò)于單一，設(shè)計(jì)時(shí)就確定了角度和光斑大小。雖然少量的透鏡可小范圍改變光斑的發(fā)散角度，但是可以通過(guò)調(diào)整光源位置，減少進(jìn)入透鏡的光能來(lái)達(dá)到目的。本文通過(guò)一個(gè)全內(nèi)反射透鏡(TIR)和一個(gè)凹透鏡組合，在提高效率的同時(shí)可自由改變光斑形狀。

1 組合透鏡設(shè)計(jì)

1.1 初始條件的確立

在光學(xué)設(shè)計(jì)開(kāi)始確立初始條件，透鏡材料選擇為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，材料透光率為93%，折射率1.494[6]。LED光源為CREE公司的XP-E類(lèi)朗伯發(fā)光體光源，光源位置處于TIR透鏡[7]燈珠孔，發(fā)光面垂直光線傳播方向[8-9]。

1.2 模型的建立

透鏡3D模型建立的基礎(chǔ)就是針對(duì)透鏡中光學(xué)表面的設(shè)計(jì)，一般有偏微分方程和試錯(cuò)法兩種[10-11]。偏微分方程是根據(jù)Snell定律和能量守恒[12]建立多項(xiàng)式求解反射折射的曲面面型，通過(guò)編程計(jì)算出離散點(diǎn)的坐標(biāo)，再導(dǎo)入軟件中成型；試錯(cuò)法是在軟件中直接建立相應(yīng)的曲面，再通過(guò)模擬光線追跡出結(jié)果，根據(jù)結(jié)果與實(shí)際要求的偏差修改曲面[13]。本文采用第二種方法直接在SolidWorks軟件中建立模型。先建立常規(guī)的TIR模型，TIR為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)體，外徑18 mm，整體高度10 mm，發(fā)光角度約20°。

圖1 TIR結(jié)構(gòu)及光斑圖

在TIR透鏡出光表面建立微型陣列結(jié)構(gòu)，由圖1(b)可以看出，單個(gè)TIR透鏡出光為圓形光斑，為改變光斑形狀需要在表面增加矩形陣列結(jié)構(gòu)以獲取矩形光斑[14-15]，矩形陣列通過(guò)自由曲面旋轉(zhuǎn)擠壓而成；在此建立不同的微型結(jié)構(gòu)可以得到不同形狀的初始光斑，如圖2所示。

圖2 不同微陣列結(jié)構(gòu)形成不同形狀的光斑

再建立凹透鏡，該凹透鏡采取平凹結(jié)構(gòu)，凹面作為接受從TIR結(jié)構(gòu)中出射的光線，平面作為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的出光面。外徑25 mm，邊緣厚度5 mm。凹面同樣為自由曲面，面型設(shè)計(jì)需考慮與條紋相結(jié)合，如圖3所示，在凹面上加條紋結(jié)構(gòu)與平面不同，不同位置的條紋要充分考慮與曲面曲率契合。

圖3 凹透鏡結(jié)構(gòu)

2 光學(xué)系統(tǒng)仿真模擬測(cè)試

將在SolidWorks中建立好的模型結(jié)構(gòu)導(dǎo)入LightTools光學(xué)軟件中，系統(tǒng)中的光源和TIR位置保持不變，平凹透鏡在光軸方向上位置是變化的。圖4為平凹透鏡某個(gè)位置下光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)示意圖

TIR透鏡高度為10 mm，發(fā)光角度約20°，可以看出平凹透鏡初始位置在Z=10處?？烧{(diào)范圍需考慮光效和實(shí)際裝配要求，當(dāng)平凹透鏡位于Z>55時(shí)，TIR出射光線會(huì)由平凹透鏡外側(cè)投射到屏幕上，這樣經(jīng)過(guò)平凹透鏡的光通量減少，會(huì)導(dǎo)致光斑中心變暗。

2.1 當(dāng)平凹透鏡與TIR透鏡貼近

平凹透鏡位于Z=10處，這樣的位置光線從TIR中出射后主要由凹面上的條紋進(jìn)行整形，對(duì)于整個(gè)凹面利用集中在中間部分。

圖5 平凹透鏡位于Z=10處效果圖

在Z=10處貼近TIR透鏡的位置可以形成小角度的矩形光斑，發(fā)散角度約20°×50°，距離1 m屏幕上的光斑寬度約為0.4 m，長(zhǎng)度約1 m。矩形光斑的形成的主要依據(jù)是TIR透鏡中微型陣列結(jié)構(gòu)和凹面條紋的設(shè)計(jì)，改變陣列結(jié)構(gòu)中矩形的長(zhǎng)度和寬度，同時(shí)配合條紋結(jié)構(gòu)厚度和曲率，即可改變所成矩形光斑的長(zhǎng)寬比。

2.2 平凹透鏡位于中間位置

選取平凹透鏡位于Z=30處的中間位置，進(jìn)行光學(xué)模擬和實(shí)驗(yàn)。此時(shí)平凹透鏡與TIR直接間隔為20 mm，在這個(gè)范圍內(nèi)凹面的面型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到重要作用。

由圖6可以看出，該位置下呈現(xiàn)橢圓形光斑，相同1 m外的接收屏幕上光斑大小為0.6 m×1.1 m，光斑發(fā)散角度變大到30°×55°。平凹透鏡在光軸方向上不同位置處所產(chǎn)生的光斑大小不同，但都在上述角度附近，橢圓光斑可以簡(jiǎn)略看成由條紋和凹面相結(jié)合形成的。調(diào)整凹面的整體厚度和局部曲率，可獲得更平滑衰減的邊緣光線或截止線更為清晰的光斑類(lèi)型，這需要符合具體應(yīng)用。

圖6 平凹透鏡位于Z=30處的效果圖

2.3 平凹透鏡位于Z=50的位置

上文計(jì)算過(guò)，約Z>55時(shí)，由于平凹透鏡不能完全接收到TIR的出射光，光斑會(huì)變的無(wú)序化，因此選取Z=50的位置，即平凹透鏡與TIR相距40 mm處。

圖7 平凹透鏡位于Z=50處的效果圖

由圖7(b)可以看出，此時(shí)光斑已經(jīng)接近圓形，角度約為50°×60°。在這個(gè)平凹透鏡的基礎(chǔ)上擴(kuò)展外徑大小，可以增加極限距離。整套光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊，整體高度最大為55 mm，最小為15 mm。實(shí)現(xiàn)了光斑從矩形到橢圓再到圓形、角度從20°～50°的變化，并且由于光源位置始終保持不變，所以整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)光效率在平凹透鏡位置發(fā)生變化時(shí)能保持不變，可達(dá)93%以上?？紤]透鏡生產(chǎn)需要，可以在鏡筒中利用卡位固定平凹透鏡位置，方便應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

光學(xué)發(fā)展會(huì)更加追求設(shè)計(jì)的多樣化和豐富化，本文介紹的產(chǎn)品將光斑形狀變化與角度變化結(jié)合，保證

了光學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)多用途的目標(biāo)。同時(shí)還有較大的提升空間：組合透鏡在更大尺寸的情況下可以獲得更大的角度變化余地；改變TIR透鏡的陣列結(jié)構(gòu)可以得到不同形狀的初始光斑等。

[1] 大谷義彥.LED照明現(xiàn)狀與未來(lái)展望[J].中國(guó)照明電器,2007(6):20-24.

[2] 辛迪.基于LED的自由曲面照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京:中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2014.

[3] 李林,王光珍,王麗莉,等.實(shí)現(xiàn)均勻照明的 LED 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(2): 2-9.

[4] 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(jì)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2012,49(2):3-8.

[5] 周志敏,紀(jì)愛(ài)華.大功率照明技術(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[6] 閆瑞,肖志松,鄧思盛.光學(xué)設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀與展望[J].照明工程學(xué)報(bào),2011,22(2):38-42.

[7] 王未未.基于TIR結(jié)構(gòu)LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子科技,2016,29(1):5-8.

[8] 閏國(guó)棟.大功率集成光源的二次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究[D].廣州:廣東工業(yè)大學(xué),2013.

[9] 丁毅,鄭臻榮,顧培夫.實(shí)現(xiàn)二次光學(xué)設(shè)計(jì)的自由曲面透鏡[J].光子學(xué)報(bào),2009,38(6):1486-1490.

[10] 吳仍茂.自由區(qū)面照明設(shè)計(jì)方法的研究[D].杭州:浙江大學(xué),2013.

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

[12] Ben P.The future of illumination design[J].Optics and Photonics News,2007,18(5):20-5.

[13] Ries H,Muschaweck J.Tailored freeform optical surfaces[J].JOSA:A,2002,19(3):590-595.

[14] 閆峰,孫文軍,王淑英.LED照明光場(chǎng)照度均勻性的研究[J].光學(xué)技術(shù),2007,33(S):327-328.

[15] 劉雁杰,惠彬.基于微透鏡陣列生成特定矩形光斑的TIR組合透鏡設(shè)計(jì)與仿真[J].光學(xué)儀器,2015,37(6):517-521.