LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀與展望

張曼

摘? ?要：隨著照明設(shè)計(jì)要求的不斷提高，傳統(tǒng)的球面光學(xué)元件已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代照明的需要了。文章從幾種常用的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程出發(fā)對二次光學(xué)設(shè)計(jì)未來的發(fā)展進(jìn)行了闡述。自由曲面光學(xué)元件由于控光性能好，已經(jīng)成為必然的研究趨勢。利用幾何光學(xué)和光學(xué)擴(kuò)展量、能量守恒定律求解自由曲面的偏微分方程，并利用SolidWorks，Matlab和TracePro進(jìn)行數(shù)值計(jì)算、離散點(diǎn)擬合和光學(xué)仿真，是目前最有效的方法。

關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管;非成像光學(xué);二次光學(xué)設(shè)計(jì)

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）相對于傳統(tǒng)照明光源具有節(jié)能環(huán)保、使用壽命長、響應(yīng)時(shí)間短、顯色性好等優(yōu)點(diǎn)，在近年來，已被廣泛用于室內(nèi)照明、景觀照明、背光與顯示、投影等方面。

LED照明系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，由于其發(fā)光呈朗伯型，所以需要對LED的光線進(jìn)行重新分配，從而可以提高光源的出光效率和照明系統(tǒng)的效率。從LED器件的封裝到產(chǎn)品，一般要進(jìn)行一次和二次光學(xué)設(shè)計(jì)。一次光學(xué)設(shè)計(jì)是為了提高芯片的出光效率，而二次光學(xué)設(shè)計(jì)是為了保證照明產(chǎn)品發(fā)出的光能滿足設(shè)計(jì)需要[1]。

1? ? 二次光學(xué)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)燈具為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)面的照度均勻，通常是基于成像光學(xué)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如復(fù)眼系統(tǒng)或方棒系統(tǒng)。但是LED的光學(xué)設(shè)計(jì)屬于非成像光學(xué)理論，是一種新型照明系統(tǒng)，這類系統(tǒng)跟傳統(tǒng)的成像光學(xué)理論設(shè)計(jì)最大的區(qū)別就是，可以提高光源的出光效率并將光線加以分配，實(shí)現(xiàn)不同形狀的照度分布。

1.1? 二次光學(xué)設(shè)計(jì)的應(yīng)用

一次光學(xué)設(shè)計(jì)的目的是在封裝過程中，將LED芯片發(fā)出的光盡可能多地取出。二次光學(xué)設(shè)計(jì)是要保證整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的出光質(zhì)量，盡可能多地將光線按照需要集中到某個(gè)照明區(qū)域中，又被稱為配光設(shè)計(jì)[2]。

首先，二次光學(xué)設(shè)計(jì)用于室內(nèi)照明燈具的設(shè)計(jì)中，比如準(zhǔn)直透鏡，不僅可以將入射的非平行光調(diào)整為平行光，而且還可以對出射光的均勻性進(jìn)行準(zhǔn)直[3]。其次，可用于遠(yuǎn)距離照明設(shè)計(jì)，比如探照燈、汽車燈，由于光學(xué)設(shè)計(jì)之前的光源發(fā)散角比較大，很難實(shí)現(xiàn)有效照明，光源效率低，通過反光杯和透鏡的二次光學(xué)作用，對出射光進(jìn)行會(huì)聚，可以使光能重新分配和提高光能利用率。再次，用于LED背光源的設(shè)計(jì)，為了提高畫質(zhì)、色域、對比度等視覺感，要求LED背光模組的光斑輻射方位大，光斑照度均勻性要好，所以近年來，對背光模組所用的背光透鏡設(shè)計(jì)也從最開始的折射式發(fā)展到了反射式，又到了迷你背光透鏡。最后，可以用在數(shù)字光處理（Digital Micromirror Device，DMD）技術(shù)中，由于DLP技術(shù)中最重要的元件是數(shù)字微透鏡（Digital Light Processing，DLP）裝置模塊[4]。通過對DLP的投影系統(tǒng)中LED光源進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，可以對光束通過透鏡后的發(fā)散角、投影光斑的光照均勻性進(jìn)行控制，得到較好的光照均勻性。

1.2? 二次光學(xué)設(shè)計(jì)方式

二次光學(xué)設(shè)計(jì)方式主要是通過透鏡或反射器對LED的出光進(jìn)行反射、折射型或者折反射[5]。其中，反射型是通過反射器將光線的光路進(jìn)行調(diào)整，改變出光角度和出光均勻度，可以分為正向反射型和反向反射型，一般用于半光強(qiáng)角大于80°的照明燈具上，比如筒燈，原理如圖1所示。折射型是通過透鏡的折射作用改變光線的出射角，使其按照預(yù)定方向進(jìn)行傳播，在目標(biāo)面上得到特定的照明面積和照度分布，比如TIR透鏡、蜂窩面透鏡等，一般用于半光強(qiáng)角小于60°的燈具上，比如射燈、天花燈等，原理如圖2所示。折反射型是通過透鏡在正前方投射聚光，反射器將側(cè)面光線收集反射出去，共同作用改變LED光源的出光，使其出光變?yōu)樘厥夥植嫉墓饩€，一般用于要求出光均勻、形狀特殊的場合，比如LED路燈，原理如圖3所示。

1.3? 二次光學(xué)設(shè)計(jì)方法

二次光學(xué)設(shè)計(jì)方法主要包括經(jīng)驗(yàn)法、自由曲面設(shè)計(jì)法。其中，經(jīng)驗(yàn)法是設(shè)計(jì)者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對透鏡、反光杯、遮光板進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)光線追跡結(jié)果修改模型。自由曲面設(shè)計(jì)法是建立在非成像光學(xué)的基礎(chǔ)上的，自由曲面不能用單一的函數(shù)來表達(dá)，只能通過一系列的離散點(diǎn)進(jìn)行模型建立，并生產(chǎn)出來。設(shè)計(jì)出來的光源的光學(xué)利用率更高，配光更合理，但是設(shè)計(jì)過程非常復(fù)雜。設(shè)計(jì)方法主要包括微分法、SMS法、網(wǎng)格劃分法。微分法是根據(jù)snell定律建立等量矢量關(guān)系，并求解非線性微分方程，然后利用Matlab求解自由曲面上的離散點(diǎn)，并最終確立構(gòu)造模型的方法。SMS法主要是根據(jù)邊緣光線理論和能量守恒定律，確定光照能量中輸入和輸出的兩束光波的能量對應(yīng)關(guān)系后計(jì)算自由曲面透鏡。網(wǎng)格劃分法是利用邊緣光線擴(kuò)展微分法和能量守恒定律求解自由曲面光學(xué)元件的模型[6]。

2? ? 二次光學(xué)設(shè)計(jì)流程

2.1? 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件介紹

Matlab是數(shù)據(jù)分析和數(shù)值計(jì)算的專業(yè)數(shù)學(xué)軟件，在配光設(shè)計(jì)中，通過該軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，求出反射器或透鏡的一系列離散點(diǎn)。

SolidWorks是三維模型繪圖軟件。在光學(xué)設(shè)計(jì)中，可以用來進(jìn)行離散點(diǎn)擬合，通過離散點(diǎn)描繪的曲線得到透鏡或反射器的模型。

Tracepro或Lighttools光學(xué)設(shè)計(jì)軟件：得到透鏡或反射器的模型后，導(dǎo)入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行光學(xué)仿真，可以得到目標(biāo)面上的光斑和照度分布情況。

2.2? 二次光學(xué)設(shè)計(jì)步驟

（1）確定照明要求：根據(jù)照明場所和照明效果確定設(shè)計(jì)要求與目標(biāo)。

（2）理論計(jì)算：根據(jù)光源的光線空間分布和目標(biāo)面的照明區(qū)域建立對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)行理論計(jì)算，確定照明設(shè)計(jì)方案。

（3）仿真模擬：將理論計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Matlab軟件中得到光學(xué)元件表面上的離散點(diǎn)，根據(jù)離散點(diǎn)在SolidWorks中進(jìn)行擬合，最終得到光學(xué)元件的實(shí)體模型。將得到的實(shí)體模型導(dǎo)入TracePro或Lighttools中，設(shè)置光源、透鏡或反射器的材料屬性，對經(jīng)過模型后的出光進(jìn)行光線追跡，得到照度和光強(qiáng)分布圖。

（4）反饋優(yōu)化：對得到的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，將模擬結(jié)果與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行對比，并反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，最終確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

3? ? 結(jié)語

采用計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法相比，不僅可以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，還可以節(jié)省時(shí)間、成本，增加社會(huì)效益。LED的二次光學(xué)設(shè)計(jì)屬于非成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅可以提高LED的出光效率，還可以對LED的光強(qiáng)在空間中進(jìn)行合理分配。目前，自由曲面的光學(xué)元件由于控光精確、解決像差問題等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛用于LED產(chǎn)品中。但是在理論上，連續(xù)的自由曲面光學(xué)元件控光性能最好，但是制作難度和成本比較高，難以實(shí)現(xiàn)廣泛使用。目前，通過自由曲面光學(xué)元件的設(shè)計(jì)獲得均勻照度分布的研究較多，但是在控制出光角度和LED陣列方面的研究較少。在未來，隨著光學(xué)設(shè)計(jì)的方法越來越多、越來越準(zhǔn)確，LED產(chǎn)品的出光效率和照度分布會(huì)越來越好，一定可以完全替代傳統(tǒng)燈具。

[參考文獻(xiàn)]

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

[2]羅毅，張賢鵬，王霖，等.半導(dǎo)體照明中的非成像光學(xué)及其應(yīng)用[J].中國激光，2008（7）：963-971.

[3]重慶綠色智能技術(shù)研究院.用于紫外LED準(zhǔn)直的透鏡：中國，CN201210552914X[P].2013-06-19.

[4]張慧博.基于嵌入式系統(tǒng)下DLP技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學(xué)，2014.

[5]萬運(yùn)佳.LED光源二次配光的新型自由曲面透鏡設(shè)計(jì)[D].武漢：湖北大學(xué)，2019.

[6]劉國強(qiáng).基于自由曲面的LED光源二次光學(xué)設(shè)計(jì)研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2017.

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Progress and prospect of LED secondary optical design

Zhang Man

（Yangzhou Institute of Technology，Yangzhou 225009， China）

Abstract：Now the? traditional spherical optics can? not meet the requirements of modern illumination due to increasingly high demand for illumination design. This paper sets forth the future development of secondary optical design based on several common design methods and process. An obvious? tread is research the freeform lens which has excellent ability on light control. The most effective research method is calculation， fitting scatter points， simulation with solidworks Matlab and TracePro after solve a partial differential equation by geometrical optics ， optical expansion and conservation of energy.

Key words：light emitting diode; non-imaging optics; secondary optical design