一種基于LED的均勻矩形光斑透鏡設計

楊 朋 諶雄文 周 韜 尹 君

（懷化學院機械與光電物理學院，湖南 懷化418008）

一種基于LED的均勻矩形光斑透鏡設計

楊 朋 諶雄文 周 韜 尹 君

（懷化學院機械與光電物理學院，湖南 懷化418008）

本文從三維給定的LED非成像光學設計出發(fā)，探討了針對LED的二次光學設計方法，并用此方法設計出了能夠得到矩形均勻光斑的透鏡，對照明系統(tǒng)的仿真模擬驗證，證明了這種方法的可行性和正確性。

LED；二次光學設計；矩形光斑

0 前言

相比于傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)，LED因為它的固有優(yōu)勢（效率高、能耗小、光色純、電壓低、壽命長等）成為了照明的主要趨勢[1]。未經過二次光學設計的LED本身發(fā)出的光不符合照明要求，具體原因為：單顆LED發(fā)光范圍小；出光角度與光照強度在空間上呈朗伯型分布[2]。因此，要將LED應用于照明領域就必須對LED進行二次光學設計。

1 LED二次光學設計

LED二次光學設計的概念是針對LED的一次光學設計的。LED的一次光學設計指的是：在對LED芯片進行封裝的過程中,對LED進行的光學設計。LED的一次光學設計主要目的在于：一、取出LED芯片中發(fā)出的光能，二、使LED發(fā)出的光出射呈一定的角度。二次光學設計的目的則是保證整個照明系統(tǒng)(或燈具)的出光質量[2]。二次光學設計是把LED器件發(fā)出的光線集中到系統(tǒng)期望的照明區(qū)域上（目標照明面），并滿足一定的光強度分部要求，從而使整個系統(tǒng)發(fā)出的光能滿足設計的要求[3]。

本文針對LED的二次光學設計，采用的是折射式二次光學設計，本文所使用的LED光源是CERR公司的XP-E芯片，圖1是該光源的3D模型圖。

LED二次光學設計中，首先應該明確光源的性質以及照明系統(tǒng)的要求，再根據(jù)整體要求（場所尺寸、光強度等）確定設計所要達到的出射角度、光強分布等，然后建立理論計算模型，建立透鏡模型，將模型導入分析軟件中進行模擬分析。本文所采取的設計思路如下圖2。

2 透鏡面型的設計

2.1 矩形均勻光斑的LED照明系統(tǒng)設計要求

本文所設計的單顆LED矩形光斑透鏡照明系統(tǒng)適用于室內、走廊、樓梯間，可以根據(jù)不同的應用場所改變LED燈珠的布局。也就是說，應用場所決定這種照明系統(tǒng)的要求，本文設計的LED燈具適用于走廊。設計時要具體情況具體解決。如圖3示，在長200mm、寬110mm的平板上均勻放置LED光源，要求對LED進行二次光學設計，在照明目標面上得到一個均勻的矩形光斑。

具體的要求如下：

1）發(fā)散角：110°；俯仰角40°。

2）照度：5米的照度要求33lux。

3）均勻度：不得超過10%，即最大光通量與最小光通量之差要小于10%。

4）光能利用率：在保證均勻度的前提下不得低于60%，越高越好。

2.2 矩形均勻光斑的LED照明系統(tǒng)設計思路

根據(jù)設計要求，設計的主要關鍵點有：1）需要對LED進行二次配光透鏡設計，要求范圍發(fā)散角110°、俯仰角40°（如圖4示，α表示發(fā)散角，β表示俯仰角）。2）在保證均勻度的前提下，盡量提高照明系統(tǒng)的光能利用率。3）此照明系統(tǒng)為室內照明燈，要求系統(tǒng)的重量越小越好，系統(tǒng)結構越簡單越好。綜上所述，既要保證出光角度的準確性、提高光能利用率，又要減輕系統(tǒng)重量，利用透鏡完成二次光學設計成為首選。最佳的方案應該是設計一個透鏡，將這個透鏡加在每一個LED光源前面，使得整個照明系統(tǒng)達到其技術要求[3]。這樣，照明系統(tǒng)的設計就轉變?yōu)獒槍蝹€LED光源進行二次光學設計。

2.3 3D模型的建立

下面給出編程計算出的空間離散點的圖2.3。

在主程序中包括了將計算的坐標值保存到一個Excel文件中，計算出空間離散點后，將得到的離散點數(shù)據(jù)導入機械設計軟件solid works中，進行曲線擬合，得到的擬合曲線如圖6所示：

得到離散點及空間曲線后，在軟件中建立的3D模型如圖7。圖7是矩形均勻光斑透鏡的模型圖，模型圖中，透鏡的底部都出現(xiàn)了半圓形的空洞，這是為LED燈珠預留的放置位置，LED具體3D模型如圖1。

2.4 矩形均勻光斑透鏡模擬仿真

將得到的透鏡3D模型導入光學仿真軟件中，設定符合條件的光源，所選擇的光源與所采用的LED光源特性符合。將透鏡置于單個LED光源前，設定透鏡的折射率，模擬追跡的光線數(shù)為100萬條，模擬過程如圖8所示。

模擬結果如下，圖9是矩形均勻光斑單個透鏡的模擬照度分布圖，從中可知，LED在進過設計的單個透鏡后能夠得到一個均勻的矩形光斑，設計結果符合均勻性要求。

單個透鏡得到矩形的均勻光斑后，對整個系統(tǒng)進行模擬仿真，在軟件中陣列復制單個光源以及透鏡，LED的布置為一共15顆，形成3×5的排列方式，如圖3所示。模擬過程圖如圖10所示。圖11是照明系統(tǒng)模擬仿真后的輻照度分布圖，圖12是矩形均勻光斑照明系統(tǒng)配光曲線圖。從圖中可知，進過15顆LED排列出射后的光斑均勻效果并沒有單個透鏡的效果好，但均勻性還是能夠達到要求的。

圖11是矩形均勻光斑照明系統(tǒng)的輻照度分析圖，從圖中可以看出本次模擬的光線追跡總數(shù)為37萬條，光能利用率為67%，輻照度平均值為0.16，輻照度的最大值與最小值差值較大。雖然單個的光源透鏡模擬均勻性能夠達到90%，但是整個照明系統(tǒng)的均勻性也能達到90%。照明目標范圍達到了技術要求。圖12給出了矩形均勻光斑照明系統(tǒng)的配光曲線圖，從圖中可以看出，整個系統(tǒng)的出光角度能夠達到技術要求的120度。

3 照明系統(tǒng)仿真結果分析總結

從模擬仿真結果可知，對于單個的光源，透鏡的模擬仿真結果非常理想，但是整體效果并沒有單個光源理想，這是因為在整體布燈環(huán)節(jié)沒有經過嚴格的計算推理。雖然整體效果稍有偏差，但是還是符合整體設計要求。

［1］閆瑞,肖志松,鄧思盛等.LED光學設計的現(xiàn)狀與展望[J].照明工程學報,2011, 22(2):38-42.

［2］蘇達,王德苗.大功率LED散熱封裝技術研究[J].照明工程學報,2007,18(2): 69-71.

［3］羅曉霞,劉華,盧振武,等.實現(xiàn) LED準直照明的優(yōu)化設計[J].光子學報,2011, 40(9):1351-1355.

［4］Wang K,Liu S,Chen F,et al.Freeform LED lens for rectangularly prescribed illumination[J].Journal of Optics A:Pure and Applied Optics,2009,11(10): 105501.

［5］Wang H,Wang H,Du N,et al.Study on optical design method for LED extended sources[C]//Proc.of SPIE Vol.2010,7655:765536-1.

［6］Wang S,Wang K,Chen F,et al.Design of primary optics for LED chip array in road lighting application[J].Optics Express,2011,19(104):A716-A724.

［責任編輯：朱麗娜］

A Lens Design of Rectangular Light Distribution Based on LED

YANG Peng CHEN Qiong-wen ZHOU Tao YIN Jun
(College of Mechanical Engineering,Optic-electronics and Physics,Huaihua University,Huaihua Hunan 418008,China)

Based on non-imaging geometry theories and mathematical knowledge,a method of designing of free-form surface is discussed.A lens of rectangular light distribution is designed by this method.The simulation of lighting systems proved the feasibility and correctness of the method.

LED;The secondary optical design;Rectangular light distribution

楊朋（1988—），女，助教，研究方向為光學設計。