基于LED擴展光源組合透鏡的設計方法

陳俄振 王柯喬

?

基于LED擴展光源組合透鏡的設計方法

陳俄振1王柯喬2

1. 廣州市浩洋電子股份有限公司，廣東 廣州 511450 2. 深圳市金溢科技股份有限公司，廣東 廣州 510663

針對實現不同配光的LED光學設計問題，基于擴展光源，構建組合透鏡照明系統，實現多種配光。首先根據snell折射定律計算出一級初始透鏡模型，并利用貝塞爾算法結合最小阻尼二乘法優化初始模型，實現光線經一級透鏡準直出射。以一級出射的準直光作為二級透鏡的入射光源，精確計算出二級透鏡的微結構模型。通過改變微結構上的不同切平面的法向斜率，最終實現不同角度的配光曲線和光斑，利用光學軟件對所設計模型進行驗證，仿真結果證明了該設計方法的可行性。

光學設計；組合鏡頭；貝塞爾算法；微結構；LED擴展光源

引言

發光二極管（LED）以其固有優勢成為第四代新光源后，越來越多地應用在照明領域[1]。但是發光二極管僅簡單地將LED用于實際場所，往往很難達到要求。封裝后的LED器件一般為朗伯分布配光，需要進行二次光學設計[2-3]，從而充分利用光能量，不造成光能量的浪費，并且達到現場視覺上的效果。在實際應用中，設計師往往需要多種不同配光的燈具以達到不同照明效果。一般地，一個透鏡對應一種配光曲線，需要安裝多種不同的燈具滿足不同的場所。本文基于LED擴展光源設計兩級光學透鏡實現多種配光的LED照明系統，系統簡易，僅更換第二級鏡片就可以實現要求的配光，方便用戶安裝更換，節約成本，具有一定的參考價值。

LED透鏡設計算法有很多，基于點光源的算法包括剪裁法[4-11]、能量映射法[12-16]等。這些方法在LED擴展光源上不再適用，而需要在此基礎上再進行反饋優化或者多參數優化。本文利用貝塞爾算法結合最小阻尼二乘法，優化LED擴展光的準直透鏡，利用準直光線計算二級透鏡的微結構，最終使光線經過二級透鏡后實現不同配光和光斑。

1 LED擴展光源實現多種配光理論原理

為實現多種光斑效果，需要LED光源經一級透鏡后，呈現準直光線，準直透鏡再經過光學薄片，從而實現不同光斑。LED封裝后的配光為朗伯分布，利用貝塞爾算法優化出一級透鏡模型，根據一級透鏡的出光光線，計算二級透鏡的微結構。具體的設計流程如圖1所示。

圖1 光學系統設計原理圖

1.1 準直透鏡的設計方法

snell定律的矢量形式為：

圖2 準直透鏡截面曲線光線示意圖

1.2 三階貝塞爾優化原理

為了得到LED擴展光源的準直透鏡模型，需要利用三階貝塞爾算法優化初始模型。

貝塞爾曲線函數方程為：

貝塞爾曲線對應的多邊形的邊矢量表達式為：

以上參數為優化變量，采用阻尼最小二乘法優化算法進行優化[19]。為了評價優化變量取值的優劣，以各個采樣角度的實際光強和期望光強的方差構建的評價函數為：

1.3 二級透鏡微結構設計原理

LED光線經一級透鏡后，沿光軸水平出射或者近似水平。以水平光線作為二級透鏡的入射光線，二級透鏡是一塊薄板，需要在薄板上面設計微結構，取其中的一個單位進行分析，如圖4所示。

圖4 （a）光線入射微結構截面示意圖；（b）光線在一個單位的微結構折射示意圖

光線在微結構表面發生折射，根據折射公式

2 多種配光的設計實例

利用上述的計算方法，設計一套由兩級透鏡組成的照明系統。一級透鏡的材質選用PMMA，其折射率為1.494，透鏡直徑45?mm。LED擴展光源采用大功率COB光源，發光面積直徑設置為5?mm，該光源不能視為點光源。在貝塞爾優化過程中，采用LED近場光線文件進行優化。二級透鏡的材質選用PC，其折射率為1.591，在距離光源前面1 m處設置一面1m×1m的虛擬面作為光斑的接收面。為了實現不同光斑和配光曲線，設計幾種法線斜率的微結構。

將仿真結果繪制成表，如表1所示。

表1 出光角度隨微結構表面法線斜率變化

法線斜率θI計算偏移角度θO模擬10%最大光強角度 0°0°0° 20°12.9°22° 30°22.6°40° 38.9°51.1°80°

3 結論

本文提出基于LED擴展光源組合透鏡實現多種配光的設計方法。該系統由兩級透鏡組成：第一級透鏡根據Snell折射定律利用逐次逼近法計算出初始模型，通過貝塞爾算法和最小阻尼二乘法優化初始模型，從而得出近似準直的光線，實現LED擴展光源的準直透鏡。第二級透鏡以前一級透鏡的出射光為入射光，分析并計算出二級透鏡的不同微結構法線斜率對出光的影響。本文用該計算方法設計多種二級透鏡微結構并導入軟件進行蒙特卡羅光線追擊，仿真的結果驗證了設計方法的可行性，可見該設計方法對實現不同配光曲線和光斑具有一定的指導意義。

[1]郁道銀，談恒英. 工程光學[M]. 3版. 北京：機械工業出版社，2011：300-313.

[2]李云，邢延文. 采用非均勻有理B樣條曲面延展光學元件面形誤差[J]. 光學學報，2012（7）：212-218.

[3]張航，梁雪，嚴金華，等. LED準直器件設計中復合拋物面同步多曲面方法[J]. 光學學報，2012（9）：247-252.

[4]Ries H，Muschaweck J. Tailored freeform optical surfaces[J]. J Opt Soc Am A，2002，19（3）：590-595.

[5]Ding Y，Liu X，Zheng Z R，et al. Freeform LED lens for uniform illumination[J]. Optics Express，2008，16（17）：12958-12966.

[6]Luo Y，Feng Z X，Han Y J，et al. Design of compact and smooth free-form optical system with uniform illuminance for LED source[J]. Optics Express，2010， 18（9）：9055-9063.

[7]Mao X L，Li H T，Han Y J，et al. Polar-grids based source-target mapping construction method for designing freeform illumination system for a lighting target with arbitrary shape[J]. Optics Express，2015，23（4）：4313-4328.

[8]顏穩萍，郭震寧，林介本，等. 實現近場均勻照明的雙自由曲面大角度透鏡設計[J]. 光子學報，2015，44（1）：135-140.

[9]潘浩，陳國慶，杜伯鈞. 基于三次樣條的雙自由曲面LED勻光透鏡設計[J]. 激光與光電子學進展，2016，53（3）：197-204.

[10]Yang T，Zhu J，Wu X，et al. Direct design of freeform surfaces and freeform imaging systems with a point-by-point three-dimensional construction-iteration method[J]. Optics Express，2015，23（8）：10233-10246.

[11]丁毅，顧培夫，陸薇，等. 利用微分方程數值解結構自由曲面反光器[J]. 浙江大學學報：工學版，2007，31（9）：1516-1518.

[12]Zhu Z，Liu H，Chen S. The design of diffuse reflective free-form surface for indirect illumination with high efficiency and uniformity[J]. IEEE Photonics Journal，2015，7（3）：1-10.

[13]徐超，高淑梅，錢維瑩，等. 大面型LED緊湊型勻透鏡優化設計[J]. 激光與光電子學進展，2015，52（4）：148-154.

[14]閆興濤，楊建峰，張國琦，等. 基于經緯劃分和切面迭代的自由曲面LED透鏡設計[J]. 激光與光電子學進展，2011，48（2）：57-63.

[15]Moreno I，Maximino A A，Tzonchev R I. Designing light-emitting diode arrays for uniform near-field irradiance [J]. Optical Society of America，2006，45（10）：2265-2272.

[16]Tsuei C H，Sun W S，Kuo C C. Hybrid sunlight/LED illumination and renewable solar energy saving concepts for indoor lighting[J]. Optics Express，2010，18（s4）：A640-A653.

[17]陳俄振，郭震寧，智佳軍，等. 背光源導光板散射網點形狀的研究[J]. 激光與光電子學進展，2013，50（3）：161-166.

[18]陳俄振，郭震寧，智佳軍. LED擴展光源均勻照明的透鏡設計[J]. 華僑大學學報（自然科學版），2013，34（6）：632-635.

[19]李遠興，梁文躍，葉湖貴，等. 基于COB LED的均勻光強分布可見光通信系統發射端的光學設計[J]. 光學學報，2016，36（10）：219-228.

The Design Method of A Combined Lens Based on LEDExtended Sources

Chen Ezhen1Wang Keqiao2

1. Guangzhou Golden Sea Electronic Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511450 2. Shenzhen Genvict Technologies Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510663

Focusing on the issues of LED optical designing different distribution curve, the paper proposes a design algorithm of a combined lens, which constructs a illumination system based on LED extended sources to achieve various kinds of distribution. Firstly, the first order original lens is calculated according to the Snell’s law of refraction, and then uses Bezier algorithm to optimize it by combining Levenberg-Marquardt method to achieve the beam collimation. Based on suing the light of the first order lens as the incident light of the second order lens, the surface microstructure model of the second order lens is accurately calculated. By changing the normal slope of the different cutting planes on the micro structure, the light distribution of different angles and the spot are finally realized. the design models are simulated by optical simulation software, the simulation result proves this design method to be feasibility.

Optical design; combined lens; Bezier algorithm; micro structure; LED extended sources

TM923.34

A

通信作者為陳俄振（1986—），男，碩士，工程師，主要從事半導體發光器件及光學設計的研究。E-mail：271707735@ qq.com。