自由曲面LED準直透鏡設計

杜國紅　吳一新　陳亮　杜罡　劉楊　石巖

摘 要：LED作為下一代的主流光源擁有各種傳統光源無可替代的優勢。但是由于獨特的發光機理，在使用LED光源時需要為其重新進行光學設計來滿足實際的照明需求，而準直照明是其中的重要部分。LED準直透鏡對光線準直度有著重要的影響，合理的透鏡結構有利于提升LED照明光源的二次配光。本文將自由曲面作為準直透鏡設計選擇的表面結構，綜合其各個方面的優點，非常適合LED準直透鏡設計。

關鍵詞：自由曲面；光學設計；LED； 準直透鏡

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.254

0 引言

LED作為第四代照明光源，擁有諸多的優點，被應用在許多領域。LED光源具有體積小、效率高、響應快、易調光、色域范圍寬、無汞污染、使用壽命長等特點，是一種節能環保的新型光源[1-2]。LED透鏡與LED光源一起構成完整的光學系統，透鏡使用的目的是為了能夠增強光的使用效率和發光效率。因此在不同條件下，使用與之相匹配的透鏡，將可以改變LED照明系統的光場分布。LED準直透鏡對光線準直度有著重要的影響，合理的透鏡結構有利于提升LED照明光源的二次配光。不同結構的LED準直光學透鏡，各有特點，對LED光源的準直效果也不相同。自由曲面作為準直透鏡設計選擇的表面結構，綜合其各個方面的優點，非常適合LED準直透鏡設計。本文考慮了LED的發光特性，介紹了用于LED準直自由曲面透鏡設計方法，并介紹了一個設計實例。

1 自由曲面與LED準直透鏡

自由曲面是最復雜而又經常使用的曲面，在許多領域中很多零件的外形均為自由曲面，如：飛機機翼、汽車外形、模具工件表面等[3]。

自由曲面的求解方法主要有：剪裁法、劃分網格法和SMS法。[4]剪裁法的基本思路是利用目標面的照度分布以及光源特性等數據列出一個關于光學面形的非線性偏微分方程組，通過求解微分方程組，得到相應的光學表面。例如偏微分方程組數值求解法，大多被用于設計均勻照明的自由曲面透鏡；基于光學擴展量守恒思想，主要是用于LED路燈透鏡設計等。劃分網格法的基本思路是邊緣光線理論，然后再通過求解能量守恒方程，從未得到光源每小網格與目標平面每小網格能量的相對應的關系，最后通過斯涅耳定律來構造曲面結構。SMS 法主要是針對擴展光源設計的方法，這個方法可以運用于透鏡多個表面的設計，來調節光源發出的兩個波面，使其變換成兩個輸出波面。但是這種方法存在著一個確定，那就是求解比較繁瑣，以至于設計難度增加。

要注意到的是在解決照明問題時，如果從光線追跡的角度看，可以發現光源與照明目標面上的點并不存在一一對應的關系；擴展光源上的每一個點可能都與整個照明目標面相對應，最終實現目標面的特定照度分布。基于非成像光學理論的照明系統，主要包括CPC、自由曲面等照明系統。[5]

LED準直透鏡。平行光在光學測量中有著非常重要的作用，干涉儀、平行光管等使用的都是平行光。目前市場上最好的LED二次光學透鏡得到的平行光的光束角都比±5°差。如果能得到光束角更小的LED光源，特別是大功率LED的平行光光源，無疑將擴大LED光源的應用范圍。隨著新增的應用領域，對LED照明光線的要求也不斷的增加。目前，通過二次光學元件的應用，LED照明系統的光學利用率基本上在80%～90%。照明距離維持在600m左右。因此，為了能夠滿足LED照明的需求，我們需要通過不斷優化LED及其燈具，使得發光效率得以提高，照明距離能過變得更遠。

2 自由曲面的設計方法

根據以往的幾何光學的分析，如圖1所示，我們可以使用下面的過程，在自由曲面上找到每一個反射或折射點，為了其二維輪廓可以分步實施。圖1說明了從光源發射和重定向的自由曲面反射面到規定的方向平行于光軸的光線。紅色線為i0，i1，i2和i3分別代表對于任意假定的光線，這些光線是從光源S發出，然后擊中反射表面分別在點P0，P1，P2，P3。P0事二維輪廓的起始點，并且是按照表面設計要求給定的。藍色虛線的向量T0，T1，T2，是用于構建二維輪廓，分別表示在點P0，P1和P2的切線向量。

所有通過以上兩種方法計算得出的點坐標都將輸入matlab進行曲線擬合，從而得到光滑的曲線來表達該段自由曲面通過給出的自由曲面。最后將各段曲線連接后即可得到所求的準直透鏡的整體面型。

3 設計實例

利用以上方法，進行了旋轉對稱自由曲面的設計，獲得的自由曲面透鏡。

通過比較三組不同入射口徑，相同結構的自由曲面準直透鏡來對LED準直透鏡進行研究，它們的口徑分別為16cm、20cm、24cm。在光源相同、接收板距離相同的條件下，經過tracepro光學仿真，得到以下數據。

結合圖4和圖5，可得接收面上最高點光通量的50%所對應的橫坐標就是半角大小，最高點光通量20%對應的橫坐標的兩倍就是全角大小。

接收面上最高點光通量的50%所對應最高點光通量20%對應的橫坐標的兩倍就是全角大小。

4 結論

利用自有曲面設計的LED準直透鏡在不同孔徑下都有著優秀的準直效果。在不同的場合選用合適的方法和初始結構來設計自由曲面準直透鏡能明顯提升照明效率。所以，以自由曲面作為準直透鏡設計選擇的表面結構，擁有良好的的適應性等諸多優點，適合作為準直透鏡的設計基礎。

參考文獻：

[1]嚴萍，李劍清.照明用LED光學系統的計算機輔助設計[J].半導體光電，2004，25（03）：181-200.

[2]李林，王光珍，王麗莉等.實現均勻照明的LED系統設計方法[J].光學學報，2012，32（02）：0222002.

[3]朱娟.自由曲線面可視化生成與處理系統[D].東北大學，2008.

[4]王愷.大功率LED封裝與應用的自由曲面光學研究[D].華中科技大學，2011.

[5]王聲學，吳廣寧等.LED照明及其原理應用[J].燈與照明，2006（04）：10-18.