LED RGB投光燈中的色散分析及其優化設計

關燁鋒, 羅婉霞

(廣州廣日電氣設備有限公司，廣東 廣州 511447)

引言

LED照明經過了數年的快速發展，整燈的光學效率(輸出流明數與輸入功率之比)已經能滿足基本照明需求和節能效率。隨著近年來散熱和電源技術的不斷完善，LED燈具的可靠性得到很大的提高，LED照明產業正朝著智能化控制[1]和高照明品質[2]的方向發展。其中照明品質主要是指燈具所輸出的光品質，其評價指標主要有色差、色溫和顯色指數等參數。高品質的照明搭配LED靈活的二次配光技術，賦予了LED燈具豐富多彩的照明效果(包括色彩和光形)。二次配光技術已廣泛應用于路燈、隧道燈和投光燈等照明燈具中。二次配光技術主要是利用透鏡的折射和反射來對光進行控制。然而，折射會對復色光(如白光)產生色散，而色散對燈具可能造成黃斑、藍斑或光斑顏色不均勻等現象[3]，這將極大地降低燈具的光品質。

本文將從光在均勻介質中的折射原理出發，分析LED燈具中色散產生的原因，并就色散產生原因提出降低色散的措施。最后以RGB投光燈為例，設計了一個帶微透鏡陣列的全內反射透鏡，改善RGB投光燈配光效果。

1 色散產生的原因

色散指復色光分解為多種單色光而形成光譜的現象[4]。色散現象由來已久，早在17世紀，科學家牛頓利用三棱鏡從白光中分離出彩色光譜，并總結出白光是由折射性能不同的光組成的結論。色散現象廣泛存在于光傳輸中，并且大多數起負面作用,對于LED燈具而言，色散導致了色差問題。色散的產生是由于由不同波長組成的復色光在發生折射時，折射角不同而分開。光的折射可以用折射定律來描述：

sinθiN·niN(λN)=sinθtN·ntN(λN)

(1)

其中，N表示光線的序號，以區別不同的光線；niN、ntN分別光在入射介質和出射介質中的折射率；θiN和θtN分別為光線的入射角和折射角。圖1表示光線從光疏介質niN進行光密介質ntN時(niN

圖1 光從光疏介質進入光密介質時的折射情況Fig.1 Sketch of refraction for light travelling from optically thinner medium to optically denser medium

色散的程度通常以在同一角度入射的情況下，折射光分離的程度(角度)來衡量，即

Δθ=θt2(λ2)-θt1(λ1)

(2)

2 白光LED的色散問題

現有LED燈具實現白光的方法主要有兩種[5]：一種是通過藍光LED芯片激發黃色熒光粉實現；另一種是通過R、G、B三種單色LED按比例混合實現。然而，無論是哪種方法，不同顏色的光非垂直地入射到同一個透鏡后，其折射角會有差別，出現色散從而造成色差。在空間分布上，燈具的色差可分為光斑內部色差和光斑邊緣色差。光斑內部色差主要是由于各種波長成分的混合比例隨著空間位置而波動，從而造成顏色不一致性[6]；光斑外部色差主要是受到類似棱鏡色散的影響，使得波長大的光出現在外圈，如路燈透鏡中的黃斑現象。

因此，燈具的光學設計必須考慮色散而造成的色差影響。對于內部色散，可利用微透鏡陣列來勻化光斑，降低混光比例的起伏；對于外部色散，應盡量減小光線的入射角，以及利用反射替代折射來改變光的傳播方向。

3 優化色散的光學透鏡設計及結果

RGB投光燈是利用紅、綠、藍三原色的色光，通過電子控制技術以不同的比例疊加，以產生多種多樣的色光。由于LED燈珠本身的發光約為120度(朗伯分布)，而投光燈光學設計所要求的發光角度一般都小于60度，因此，投光燈所用的透鏡必需能對LED在大角度方向上光能實現較大的方向改變(如利用透鏡的反射或折射)。應用于投光燈實現窄發光角度的透鏡一般為全內反射(TIR，Total Internal Reflection)透鏡，其特點是它有一個能使光發生全內反射的面來改變光的傳播方向(如圖2中光線1)，其設計可以利用基于LED 能量網格劃分的方法來實現[7]。正如前面所分析的，此全內反射面能減少光的色散。此外，在角度允許的范圍內，通過減小內表面的弧度來減小光的入射角，以減小色散(如圖2中光線2)。

在實際應用中，由于受到色散和透鏡加工精度的影響，R、G、B三種燈珠使用同一種透鏡后，其發光角度或光強分布可能出現較大差別。圖3為對某大型燈珠廠家的RGB燈珠，使用同一款發光角度為30度(針對綠光優化設計)全內反射透鏡后模擬的結果。結果顯示，三種燈珠的發光角度以及光強分布存在很大差別，其中紅光的發光角度最大，藍光燈珠最小。出現差別的原因與燈珠封裝技術的一致性和穩定性有關。廠家雖然對同一顏色的燈珠在生產后會按燈珠的色溫、發光強度和電壓等參數進行分Bin[8]，但是對燈珠的發光角度和光強分布并沒有采取相應的處理。另外，由于不同波長的折射率不一樣，導致各種光線有不同的偏折方向，最后導致透鏡的發光角度不同。

圖2 全內反射透鏡的光線控制示意圖Fig.2 Schematic diagram of light control with total internal reflection

圖3 某R、G、B燈珠使用同一種全內反射透鏡后的模擬光強分布圖Fig.3 The simulated light distribution curve using the same TIR lens for R, G and B LEDs

圖4 微透鏡陣列的勻光原理圖Fig.4 Schematic diagram of light homogenization with mirco-lens array

發光角度和光強分布的差異會使R、G、B三色光混光后出現顏色分布不均勻的現象，即色差。為了降低色差影響，在全內反射透鏡的設計中，可在透鏡的出光面制作一層微透鏡陣列[9]。微透鏡陣列利用焦距極短的微透鏡，把小范圍的光向空間上的大面積擴散，類似于一個散射體，其工作原理如圖4所示。假設一束強度不均勻的光經過微透鏡陣列，并分出若干個小光束。由于微透鏡的通光口徑很小，因此進入每個微透鏡的光可近似看作是均勻的。每個小光束經過先聚焦后發散，最后在目標平面呈近似高斯函數的分布。設目標平面距離光源的距離為d，透鏡的發光角度為θ，則在目標平面上，光斑的有效直徑為

(3)

若投光燈的發光角度θ=600，投射距離d=7m，則光斑的有效直徑約為D≈8m。對于LED投光燈，其發光的半徑d0約為16cm，由于d0?D，因此投光燈可近似看作點光源。不同顏色的光經過微透鏡作用后，其光斑呈現近似高斯分布地擴散到目標平面上，并線性疊加。

根據上述的設計思想，在光學設計中，可以先使光線盡可能垂直于出透鏡光面，以減小初始色散，如圖5(a)所示。在沒有加微透鏡陣列時，透鏡發光角度可控制在10度以內。然后以燈具的發光角度為目標設計微透鏡的焦距，其焦距越短，透鏡發光角度越大。本例中所使用的正六邊形微透鏡的邊長為0.5mm，曲率半徑為1mm，透鏡的三維模型如圖5(b)所示。應用了帶微透鏡陣列的全內反射透鏡后，R、G、B三種燈珠的模擬結果如圖6所示，其配光曲線的發光角度和光強分布都十分相似。另外，在實驗上利用遠方的分布光度計實測了投光燈的配光曲線(如圖7所示)，R、G、B三種燈珠所對應的發光角度分別為29.1度，29.3度和29.7度。實測結果表明，實測配光曲線的發光角度和光強分布也都十分接近。微透鏡陣列雖然增加了透鏡出光面的粗糙程度，但是對光的透過率影響有限。此例中，帶微透鏡陣列對光透過率的降低僅為1%。

圖5 帶微透鏡陣列的全內反射透鏡。(a)剖面圖；(b)三維圖Fig.5 TIR lens with mirco-lens array. (a) cross-section drawn (b) three-dimensional diagram

為了驗證微透鏡陣列對色散的優化，圖8對比分析了透鏡帶與不帶微透鏡陣列的CIExy色度圖(由于缺少實驗測量條件，本文僅從理論上分析)。CIE xy色度圖上任意一種顏色都可以用一對(x,y)坐標表示。兩個顏色點之間的距離越大，顏色的差異就越明顯。圖8(a)為使用不帶微透鏡陣列透鏡的光斑的CIE色度-空間角度分布圖。從圖中可看出，x,y都分布在[0.2 0.5]區間，基本處于CIE 1931xy色度圖上的白光區域。然而x和y在空間上的分布并不均勻，從圖8(a)中x、y值分布可看出，數值中心大邊緣小，這表明光的色溫中心低邊緣高，色差比較嚴重。在透鏡加上微透鏡陣列后，如圖8(b)所示，x,y的數值變化范圍縮小，x,y分別集中在[0.2 0.4]和[0.25 0.35]區間。因此微透鏡陣列起著色散優化的作用，使燈具光斑的色差變小。

圖6 使用帶微透鏡陣列的全內反射透鏡后，R、G、B三種燈珠對應的模擬配光曲線Fig.6 The simulated light distribution curve using the TIR lens with micro-lens array for R, G and B LEDs

圖7 使用帶微透鏡陣列的全內反射透鏡后，R、G、B三種燈珠對應的實測配光曲線Fig.7 The experimental light distribution curve using the TIR lens with micro-lens array for R, G and B LEDs

4 結論

色散是生活中普通存在的物理現象，也普遍存在于LED燈具的光學透鏡中。色散能使燈具中的復色光(主要是紅、綠和藍光)發生分離，從而引起燈具的色差。通常，通過兩種色散能力不同的玻璃(冕牌玻璃和燧石玻璃)透鏡組合可以降低色散的影響。然而，由于受到透鏡的材料和成本的限制，這種做法暫時無法引入到LED燈具透鏡中去。本文從LED透鏡本身的結構特點出發，針對色散產生的原因，提出了包括采用全內反射代替折射、減小光線的入射角和設計表面微透鏡陣列等改善色散的若干措施。模擬和實驗結果表明，帶表面微透鏡陣列的全內反射透鏡，能對同一系列的R、B、G三種燈珠保持良好的發光角度和光強分布一致性，對RGB投光燈的混光效果起積極作用。另外，這些方法對于舞臺燈、射燈等照明燈具也同樣適用。

圖8 光斑的空間CIE xy色度圖Fig.8 CIE xy chromaticity diagram

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