擴展光源閱讀燈的配光設計

姚海兵 康學亮 劉啟隆

【摘 要】介紹了一種擴展光源自由曲面閱讀燈的配光設計，并運用該方法設計了一款基于折射率預補償方法的擴展光源配光透鏡。匹配光源為Cree 公司的XHP50.2型，有效發光面為5mm*5mm。經過模擬軟件追跡仿真，得到有效照明區域平均照度值為850lx，照度均勻性為95.8%。將所設計的配光透鏡進行實際加工，經過測試，其照度均勻性高達96.1%，實驗結果與仿真結果基本相符。

【關鍵詞】擴展光源;均勻照明;閱讀燈

中圖分類號： TN312.8 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）11-0029-002

【Abstract】This paper introduces the light distribution design of an extended light source free-form reading lamp， and USES this method to design an extended light source light distribution lens based on the refractive index pre-compensation method.The matching light source is XHP50.2 of Cree company，and the effective luminous surface is 5mm*5mm.After the simulation software tracking simulation，the average illumination value of the effective lighting area is 450lx，and the illumination uniformity is 95.8%.The illumination uniformity of the designed light distribution lens is up to 96.1% after practical processing，and the experimental results are basically consistent with the simulation results.

【Key words】Extended source;Uniform lighting;Reading light

0 引言

發光二極管（Light-emitting diode，LED）作為一種半導體光源，具有節能環保、響應速度快、安全性高以及長壽命等優點，被廣泛應用于不同照明領域。但在絕大多數場合，LED燈珠直接輻射所形成的照度分布并不能滿足使用需求，為此需要對LED的空間光強分布進行重新分配，即LED二次光學設計[1-5]。

開展對大尺寸LED光源進行二次配光設計的研究具有科研價值和實際意義。自由曲面面對擴展光源的勻光照明也是當前LED二次配光設計的研究熱點。目前，針對擴展光源自由曲面實現均勻配光的有效方法主要分為三種，同步多曲面（SMS）法、以點光源設計為基礎引入反饋優化法和點光源近似設計法。同步多曲面法（SMS）法是一種基于面光源，運用非成像光學理論對透鏡的多個曲面同時設計計算，最先用于太陽能集光器的設計，并于2004年由Benitez提出三維光學器件的設計[3]。其主要思想是依據波前的概念構建光源發光特性和目標面照明的兩組波前之間的光程關系，依據光程關系求解出自由曲面面型離散數據點。該方法對擴展光源的邊緣光線可以實現有效約束，而對于照明區域內部光線的調控卻不足。上海大學的吳仍茂等人采用該方法于2009年對大功率LED出射光實現定向控制的投射器，其光學效率達到91%以上[4];在縮小光學尺寸方面，先使用復合拋物面（CPC）法將擴展光源的發散角控制在某一較小范圍內，然后采用（SMS）法進行配光設計。針對擴展光源的自由曲面二次配光設計，研究人員提出一系列新的設計方法。在點光源二次光學設計的基礎上加入反饋優化，最終實現擴展光源的勻光照明。康學亮等人提出的折射率預補償方法[5]，該方法的提出對于擴展光源勻光照明二次光學設計問題得到完美解決。

本文基于折射率預補償方法，提出一款針對擴展光源閱讀燈的配光設計實例。本章將以Cree公司XHP50.2型LED集成光源進行閱讀燈的配光設計，最后得到一款可在直徑為360mm，有效照明區域平均照度達到850.38lx，均勻度達到95.4%的LED閱讀燈配光透鏡，并根據設計結果加工了相應的配光元件，進行實測，實測結果與仿真結果基本相符。

1 LED閱讀燈配光設計

依據點光源自由曲面勻光照明設計方法，對擴展光源閱讀燈配光透鏡進行結構設計。設計參數為：光源距透鏡前表面距離a=6mm;配光元件中心厚度b=6mm;設計照明距離c=300mm;照明半徑R=175mm;配光透鏡收集LED±60°以內的光線，角度離散間隔0.25°。根據折射率預補償原理，在設計配光元件中將設計折射率ndesign調整為其他的參數值，對點光源進行二次光學設計，得到設計折射率補償之后的自由曲面透鏡離散數據點。

將自由曲面透鏡前后的坐標數據點導入光學仿真軟件TracePro進行實體建模，得到3D實體模型，如圖1所示。從中可以得出，透鏡縱向高度6mm，通光口徑26.2mm，邊緣厚度約為3.2mm。

在軟件仿真初始階段，需建立閱讀燈配光系統模擬仿真環境。設置自由曲面配光透鏡材料屬性為PMMA，設置波長λ=550nm，對應的模擬折射率為1.493;在原點處建立一半徑與真實光源相同的圓形表面光源（即擴展光源），光強分布符合本章第二節所述的配光曲線，并且光源出射光通量為180lm（參照實際輸出光通量）;在z=300mm處設置一目標面，用以接受照度分布。設置屬性Perfect Absorber;設置追跡光線數目100萬條，對配光元件照明效果進行仿真。

的透鏡照明模擬效果

圖2為通過折射率預補償（ndesign=1.430）的光學系統在目標面上所形成的照度分布情況。從中我們可以看出目標面上的照度均勻性很高。有效照明半徑約為138.62mm;有效照明區域的平均照度為850.38lx，根據ANSI均勻度測量法測得光照度均勻性為95.8%。

2 實驗結果及分析

為了驗證設計透鏡是否可在閱讀燈照明系統中滿足實際照明要求，本文所述的配光元件樣品均委托深圳一家專業的快速成型光學手板公司代為加工，采用光學級PMMA作為透鏡加工模具材料，實際加工透鏡具體參數與仿真設計所述。

仔細調節實驗裝置以后，點亮LED，得到的照度分布實驗結果如圖3所示。以九點測量照度均勻性的實驗方法經照度計測量之后。經測驗，其照度均勻性高達96.1%，實驗結果與仿真結果基本相同，并符合實際照明要求。

3 小結

本文以LED閱讀燈光學系統設計為實例，采用CREE公司的XHP50.2作為實際光源，其有效發光面積為5mm×5mm，依據折射率預補償方法設計的配光透鏡，在固定目標面實現有效照明半徑為138.62mm，有效照明區域平均照度為850.38lx，光斑均勻性達95.4%的良好照明效果。

【參考文獻】

[1]曹永健，董建宇，楊雨龍，等.不間斷供電的LED路燈智能控制與管理系統[J].照明工程學報，2019（02）：67-70.

[2]康學亮，姚海兵，劉啟隆，等.LED配光透鏡吸收損耗的建模與計算[J].江蘇科技信息，2018，35（35）：31-34.

[3]Mi？觡ano J C，Benítez P，Lin W，et al.An application of the SMS method for imaging designs[J].Optics Express，2009，17（26）： 24036-24044.

[4]吳仍茂，屠大維，黃志華.一種實現大功率LED均勻照明的投射器設計[J].應用光學，2009，30（03）：372-376.

[5]康學亮，姚海兵，劉啟隆，等.基于折射率預補償方法的擴展光源勻光照明二次光學設計[J].激光與光電子學進展，2019，56（15）：152202.

※基金項目：國家自然科學基金項目（11564001）;北方民族大學研究生創新項目（YCX18072）。

作者簡介：姚海兵（1991—），男，山西人，碩士研究生，研究方向：LED二次光學設計。