基于復(fù)合拋物面反光杯和菲涅爾透鏡組合的洗墻燈LED條形光斑設(shè)計優(yōu)化

王勇恒

(廣東三雄極光照明股份有限公司，廣東 廣州 511495)

引言

作為新一代照明光源，LED相比于傳統(tǒng)電光源，優(yōu)點眾多，但LED芯片的發(fā)光光強隨著發(fā)光角呈現(xiàn)余弦分布，在眾多的照明場景中，不能滿足照明需求，需根據(jù)要求進行二次光學(xué)設(shè)計，對LED光強再分布[1]。

現(xiàn)代洗墻燈一般運用LED的條形光斑特性，朝向建筑物所需照明區(qū)域，亮化照明美化環(huán)境。傳統(tǒng)洗墻燈采用全內(nèi)反射(Total Internal Reflection，TIR)透鏡配光[2]，控光效率高，但LED芯片發(fā)光經(jīng)透鏡后會造成約10%～12%光通效率損失，且透鏡折射照明區(qū)域光線還會出現(xiàn)色差。有些設(shè)計者對透鏡出光面進行磨砂或曬紋處理，達到混光減少色差效果，但又分散光線增大副光斑，使光線利用率低，進一步損失部分的光通量，導(dǎo)致與建筑物體相對一側(cè)光照不均勻且存在眩光，洗墻燈具出光口靠近墻面處產(chǎn)生波浪光照，影響裝飾效果[3]。

為解決洗墻燈以上問題，本文提出反光杯和菲涅爾透鏡組合的光學(xué)器件[4]設(shè)計思路，運用反光杯控制LED芯片120°大立體角范圍的光能量，讓其直接反射到照明區(qū)域，避免經(jīng)透鏡的出光損失；采用菲涅爾透鏡控制LED芯片120°內(nèi)小立體角部分光能量，控制未被反光杯反射而導(dǎo)致的副光斑，使整個光學(xué)器件實現(xiàn)全方位控光，高效利用光通量。這兩部分光在照明區(qū)域疊加，獲得洗墻燈所需均勻條形光斑，解決在同電氣和同結(jié)構(gòu)條件下，使用傳統(tǒng)TIR條紋透鏡的洗墻燈具，不能同時達到所需的光束角和80%出光效率問題。

1 設(shè)計要求和思路

1.1 洗墻燈單顆LED光學(xué)器件設(shè)計要求

洗墻燈內(nèi)部是由若干單顆LED光學(xué)器件組成，要求每個LED光學(xué)器件的配光平面照射效果符合條形光斑，光通量均勻疊加。以滿足被照區(qū)域(側(cè)洗墻面)由燈體發(fā)光面到遠處均勻過渡，燈具整體尺寸需要限制在寬×高=48 mm×41 mm以內(nèi)。具體單顆LED光學(xué)器件設(shè)計要求如下：

1)LED光源：CREE-3535 XTE-HE-WW；

2)光通利用率：大于80%；

3)實測光效：大于85 lm/W；

4)光束角(50%Imax)： [C0/180]Total=10°±3°，[C90/270]Total=60°± 5°；

5)光學(xué)器件材料：光學(xué)塑料PC(聚碳酸酯，Polycarbonate)；

6)光學(xué)器件尺寸：長×寬×高=22 mm×22 mm×14 mm以內(nèi)。

1.2 設(shè)計思路

整體洗墻燈具由若干個單顆LED光學(xué)器件組裝而成，單顆LED光學(xué)器件出光如圖1所示，具體結(jié)構(gòu)采用Tracepro模擬計算得出。

A—菲涅爾透鏡，B—反光杯，C—LED芯片，D—散熱鋁基板圖1 單顆LED出光示意圖Fig.1 Ligt output of single LED

單顆LED光學(xué)器件設(shè)計采用復(fù)合拋物面反光杯與菲涅爾透鏡的結(jié)合方式，復(fù)合拋物面反光杯反射截面曲線輪廓為二次拋物曲線方程，LED芯片放置在二次拋物曲線方程所對應(yīng)的焦點處，使LED芯片發(fā)出的光線經(jīng)過復(fù)合拋物面反光杯后達到最佳準(zhǔn)直效果。復(fù)合拋物面反光杯內(nèi)表面附有四邊形鱗甲結(jié)構(gòu)，控制每層鱗甲大小和鱗甲面弧度，可以有效混光，使光斑照明效果更佳均勻。菲涅爾透鏡上表面結(jié)構(gòu)為棱鏡條紋，下表面為柱狀條紋，放置LED芯片處于菲涅爾透鏡焦點處，使經(jīng)過菲涅爾。根據(jù)LED光學(xué)器件的大小計算菲涅爾透鏡的寬度大小，使反光杯準(zhǔn)直光線不受遮擋，整個LED光學(xué)器件單元出光效率最大。

2 單顆LED光學(xué)器件設(shè)計

由于洗墻燈照明應(yīng)用需為長條形光斑，那么對應(yīng)的光束角則是關(guān)于通過中心軸的兩個相互垂直面([C0/180]面和[C90/270]面)各自對稱，如圖2所示。

圖2 三維極坐標(biāo)分布Fig.2 3D polar distribution

2.1 復(fù)合拋物面反光杯設(shè)計[5]

設(shè)置[C0/180]面為10°出光面，根據(jù)二次拋物線方程x2=4fy，可得光源位置放在拋物線焦點處，光線經(jīng)過二次拋物曲線反光面后準(zhǔn)直出射，[C0/180]面內(nèi)的光束角達到最小10°。運用Tracepro軟件自帶的反射器函數(shù)計算功能菜單插入二次曲線反射器，并將二次曲線反射器表面設(shè)置為完全鏡面反射，如圖3所示。將得到的二次曲線反射器導(dǎo)入3D軟件Proe中優(yōu)化結(jié)構(gòu)；設(shè)置[C90/270]面為60°出光面，由3D軟件Proe繪制自由曲線得到[C90/270]面的反光面，再導(dǎo)入Tracepro軟件進行模擬與分析，并附上四邊形鱗甲用于混光。在3D軟件Proe中優(yōu)化得到最終反光杯結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中A面結(jié)構(gòu)為[C0/180]面10°光束角控光面，B面結(jié)構(gòu)為[C90/270]面60°光束角控光面。

圖3 二次曲線反射器表面屬性設(shè)置Fig.3 Surface property setting for a quadratic curve reflector

圖4 最終反光杯結(jié)構(gòu)Fig.4 Final structure of reflective cup

2.2 菲涅爾透鏡設(shè)計[6]

運用Tracepro軟件自帶的幾何體函數(shù)計算功能菜單插入菲涅爾透鏡，并將菲涅爾透鏡材質(zhì)設(shè)置為PC(聚碳酸酯，Polycarbonate)，如圖5所示。將得到的菲涅爾透鏡導(dǎo)入3D軟件Proe中優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其中圖6中C面結(jié)構(gòu)采用菲涅爾透鏡準(zhǔn)直原理，控制[C0/180]面10°光束角的光線；D面結(jié)構(gòu)采用半圓柱條紋混光原理，控制為[C90/270]面60°光束角的光線。

圖5 菲涅爾透鏡材質(zhì)屬性設(shè)置Fig.5 Material property settings of Fresnel lens

圖6 菲涅爾控光設(shè)計原理Fig.6 Design principle of Fresnel light control

2.3 單顆LED組裝與光學(xué)效果模擬[7]

將優(yōu)化結(jié)構(gòu)的LED光學(xué)組裝器件(圖7)導(dǎo)入Tracepro軟件中，設(shè)置單個LED光源文件和模擬追擊的光線數(shù)為300萬條，透鏡的材質(zhì)和反光杯的反光鏡面，LED光學(xué)器件模擬照明系統(tǒng)光線追跡結(jié)果如圖8所示。

圖7 LED光學(xué)器件結(jié)構(gòu)爆炸圖和整體組裝圖Fig.7 The structure and overall assembly of LED optical device

圖8 LED光學(xué)器件模擬照明系統(tǒng)光線追跡結(jié)果圖Fig.8 Light tracing results of the simulation lighting system for LED optical device

經(jīng)過光學(xué)軟件Tracepro模擬，單顆LED條形光斑照度黑白圖a、LED條形光斑照度彩色圖b、配光曲線極坐標(biāo)系圖c、配光曲線直角坐標(biāo)系圖d，分別如表1所示。

表1 光學(xué)軟件Tracepro模擬結(jié)果

模擬結(jié)果分析：光通利用率為81.475%(大于80%)；光斑形狀為長條形，且光束角(50%Imax)： [C0/180]Total=11°，[C90/270]Total=62°，滿足洗墻燈單顆LED光學(xué)器件設(shè)計要求。

3 照明系統(tǒng)實際樣品與測試及結(jié)果分析

1)單顆LED光學(xué)組裝器件實際樣品模型。根據(jù)優(yōu)化LED光學(xué)組裝器件3D模型制作實物樣品，如圖9所示。

圖9 單顆LED光學(xué)組裝器件實物樣品圖Fig.9 Physical samples of optical assembly devices for single LED

2)洗墻燈實際樣品測試。用單顆LED光學(xué)器件組裝一個額定功率為20 W的洗墻燈如圖10所示。在照明應(yīng)用中，光束角為10°×60°且功率為20 W的洗墻燈在5 m處光斑的平均照度需大于140 lx。利用光度分布計進行實際樣品測試，并將本文復(fù)合拋物面反光杯和菲涅爾透鏡組合的洗墻燈光學(xué)方案與傳統(tǒng)TIR透鏡方案實測數(shù)據(jù)對比分析。本文復(fù)合拋物面反光杯和菲涅爾透鏡組合的洗墻燈試測試結(jié)果如圖11所示，20 W洗墻燈光效為89.76 lm/W，光束角為12.4°×61.6°，且在5 m處光斑的平均照度需大于140 lx，設(shè)計結(jié)果數(shù)據(jù)對比如表2所示。

圖10 洗墻燈整燈照片F(xiàn)ig.10 The wall wash lamp

表2 本文光學(xué)器件方案與傳統(tǒng)TIR透鏡方案優(yōu)勢對比表

4 總結(jié)

本文提出一種基于復(fù)合拋物面反光杯和菲涅爾透鏡組合的LED條形光斑光學(xué)器件設(shè)計，應(yīng)用反射定律和折射定律結(jié)合的設(shè)計理念，使得設(shè)計出的洗墻燈光束角(50%Imax)達到[C0/180]面為12.4°和[C90/270]面為61.6°的條形光斑照明效果(因理想模型與物存在誤差，允許角度偏差正負3°)。設(shè)計的20 W洗墻燈具在5 m遠處平均照度可達141.6 lx，較使用傳統(tǒng)TIR條紋透鏡的洗墻燈具提高了43.3%；整燈光效可達89.76 lm/W，較傳統(tǒng)TIR條紋透鏡的洗墻燈具提高了26.4%，較好地解決了傳統(tǒng)TIR條紋透鏡副光斑大、光線利用低、洗墻照射距離短、燈具眩光等問題。

圖11 洗墻燈實際樣品測試結(jié)果圖Fig.11 Test results of actual samples of wall wash lamp