基于TIR結(jié)構(gòu)LED準直透鏡的設(shè)計與實現(xiàn)

王未未

(江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

基于TIR結(jié)構(gòu)LED準直透鏡的設(shè)計與實現(xiàn)

王未未

(江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要介紹了一種LED自由曲面準直透鏡的設(shè)計方法,并運用該方法設(shè)計了一款基于全內(nèi)反射,結(jié)構(gòu)的準直透鏡。對初始結(jié)構(gòu)不斷進行逼近,最終得到準直透鏡的模型。透鏡外徑為35 mm,總高為21.5 mm。透鏡匹配Cree公司XPE光源進行計算機模擬,效率高達84.8%,K值高達125.8 cd/lm。模擬應(yīng)用于35 W的探照燈時,在100 m遠處形成一個直徑為8 m的圓形光斑,光斑中心照度高達60 lux。透鏡實際樣品被制作出后,經(jīng)過測試,實際透鏡的光束角為3.2°。此款透鏡被用于實際探照燈燈具中。

關(guān)鍵詞TIR準直透鏡;光學(xué)設(shè)計;自由曲面;TracePro

Design and Application of LED Collimating Lens Based on TIR

WANG Weiwei

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

AbstractA design method for collimating LED lens with free surface is introduced and a practical collimating lens with the method based on TIR (Total Internal Reflection) is designed by approximating for the final 3D model successfully.The maximum diameter of the lens is 1 mm with a height of 2 mm.Computer simulation with the lens matched with CREE -XPE shows an efficiency of 84.8% and aKvalue of 125.8 cd/lm.With the lens applied to 35 W searchlight,a spot of a diameter of 8 m results with the spot center illumination up to 60 lux 100 m away 3.2°.Tests on the fabricated collimation lens show a beam angle of.The lens is used in the actual searchlights.

KeywordsTIR collimating lens;optical design;freeform surface;TracePro

近年來,由于發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)在光效、壽命、便攜性、反應(yīng)速度等各方面性能遠勝于傳統(tǒng)光源,全球各國在LED應(yīng)用的研究和發(fā)展上投入了大量的財政和人力[1],LED得到了廣泛應(yīng)用。但LED屬于朗伯發(fā)光體[2],直接應(yīng)用于特定的場景照明時會造成光能浪費與光污染。當LED應(yīng)用在聚光燈、探照燈時,就需要對LED進行準直設(shè)計。這種通過改變光源光強分布的方法稱為二次配光。二次配光設(shè)計方法的研究歷史較為久遠,早期采用標準雙曲線或者非球面作為光學(xué)面的透鏡組來實現(xiàn)二次配光系統(tǒng)。隨著人們對燈具的光學(xué)性能與便攜性要求越來越高,自由曲面作為光學(xué)面的方法被提出[3-9]。自由曲面對于光線方向重排布有著更大的自由度。

本文結(jié)合作者實際設(shè)計經(jīng)驗,總結(jié)了一種自由曲面透鏡的逼近理論設(shè)計方法,并設(shè)計了一款匹配Cree公司XPE光源的準直透鏡。相對于文獻[5~6]中設(shè)計的透鏡,本文所設(shè)計的透鏡針對實際LED準直時,具有更高的K值、更好的準直效果和更高的光學(xué)效率。另外,此款透鏡結(jié)構(gòu)勻稱、外形美觀;透鏡沒有尖銳的結(jié)構(gòu),有利于模具的制作與注塑生產(chǎn);透鏡設(shè)計時給定了模具的分模面,方便了透鏡的加工,不會出現(xiàn)類似文獻[6]中在TIR光學(xué)面上出現(xiàn)分模線的情況;透鏡具有減膠孔結(jié)構(gòu),降低產(chǎn)品的成本,縮短注塑周期;最終模型還加入了定位結(jié)構(gòu),用來滿足實際應(yīng)用時的安裝需要。本文在給出透鏡準直仿真結(jié)果的同時,還給出了實際透鏡產(chǎn)品的光學(xué)測試結(jié)果。

1設(shè)計方法

自由曲面透鏡的設(shè)計方法主要有試錯法和數(shù)學(xué)建模法。數(shù)學(xué)建模法一般是將光學(xué)設(shè)計問題轉(zhuǎn)化為解相應(yīng)的微分方程組的問題,所建立的方程組反映了光源與設(shè)計目標之間的特定映射關(guān)系,最終找到方程組的解析解,建立透鏡模型[3-4]。試錯法則是根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗,選取產(chǎn)品的初始結(jié)構(gòu),經(jīng)過反復(fù)調(diào)整,最終找到需要的透鏡模型,設(shè)計過程如圖1所示。試錯法是較為常用的設(shè)計方法。行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)二次配光產(chǎn)品的生產(chǎn)廠商主要有芬蘭的Ledil公司,國內(nèi)雷迪克、百康光電等。

圖1　試錯法的設(shè)計過程

試錯法適用于任何透鏡的設(shè)計,無論透鏡結(jié)構(gòu)對稱與否,也不管透鏡匹配的是點光源還是面光源特性是目前微分方程解法望塵莫及的。試錯法也存在缺點:試錯法需反復(fù)變更產(chǎn)品結(jié)構(gòu);最終結(jié)構(gòu)的合格與否主要依賴于設(shè)計經(jīng)驗。

試錯法設(shè)計透鏡精髓在于:試錯設(shè)計并非盲目的試錯,而是逼近的試錯。本文所采用的試錯逼近法,在構(gòu)建TIR表面和自由曲面時簡單明了,無需解微分方程,易于實現(xiàn)。這里的逼近試錯法與二分逼近原理近似,此處用到的二分逼近不是絕對的二分,而是根據(jù)設(shè)計者的經(jīng)驗斷定更接近最終值比例后調(diào)整逼近。準直透鏡的設(shè)計是一個不斷逼近最小角度的過程。

2TIR透鏡基礎(chǔ)建模

根據(jù)上文總結(jié)的設(shè)計方法,利用是試錯法設(shè)計準直透鏡,需要建立透鏡的初始結(jié)構(gòu)。根據(jù)燈具裝配尺寸要求,結(jié)合作者設(shè)計經(jīng)驗,透鏡旋轉(zhuǎn)對稱,建立一個旋轉(zhuǎn)對稱的全內(nèi)反射TIR(Total Internal Reflection)燈杯型透鏡初始結(jié)構(gòu)時只需構(gòu)建透鏡自由曲面的輪廓線即可,如圖2所示。透鏡光學(xué)有效高度為20.2 mm,最大外徑為35 mm。材料選用PMMA(Polymethyl Methacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)。

圖2　透鏡輪廓線

透鏡輪廓線包括7條直線,直線A~直線G;兩條自由曲線:TIR輪廓線、模芯輪廓線。光源發(fā)出的光線被由點H和原點O構(gòu)建的分界線K一分為二,一部分由TIR面反射后出射,另一部分通過模芯透射。TIR面作為準直透鏡最重要的光學(xué)面,輪廓線是由N個點構(gòu)造成的樣條曲線。根據(jù)反射定律以及相關(guān)的計算得知,TIR輪廓線上各個點上的切向量才是影響光線出射方向的關(guān)鍵參數(shù)。曲線點數(shù)取的越多,逼近的最終效果越好,當然,隨著點的增多,調(diào)整的復(fù)雜度也隨之增加。為兼顧準直效果與設(shè)計效率,取6個點建立TIR輪廓線,除去兩個端點之外,可調(diào)動的點為A~D點,直線E為平行于系統(tǒng)光軸的透鏡旋轉(zhuǎn)軸。將輪廓線進行旋轉(zhuǎn)生成透鏡實體模型。本文所用到的Cree公司的XPE光源是一款經(jīng)典的LED光源。光源尺寸相對較大,整個封裝為3.5 mm×3.5 mm,不能近似為點光源。為方便透鏡與光源的裝配,需要在透鏡上加入柱腳,如圖3所示,圖中描述了帶有柱腳的透鏡與光源和PCB之間的裝配關(guān)系。

圖3　透鏡與PCB裝配關(guān)系示意圖

3逼近糾正

3.1　XPE光源模擬

對初始結(jié)構(gòu)進行光學(xué)模擬并分析模擬結(jié)果,初始結(jié)構(gòu)并能對光源有效準直。依照上文中試錯逼近設(shè)計方法流程,不斷調(diào)整圖2中TIR輪廓線上的點,直到找到準直透鏡的最終模型。逼近調(diào)整過程相對繁瑣。整理逼近過程中構(gòu)成TIR輪廓線點的坐標,以及每次逼近調(diào)整后的光學(xué)數(shù)據(jù),呈現(xiàn)在表1中。

表1　逼近過程設(shè)計的光學(xué)與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

將最終準直透鏡模型進行100 m探照燈照明模擬。光通量為4 389 lm的XPE-35 W探照燈在100 m遠處形成了一個直徑為8 m的圓形光斑,如圖4所示,光斑中心照度高達60 lux,光斑圖中橫縱坐標代表接收屏的坐標,單位mm;右側(cè)光強分布曲線圖中,橫坐標為接受面截面尺寸,單位mm,縱坐標代表照度值,單位lux。燈具光束角為4.2°,效率為84.7%,如圖5所示,圖中橫坐標代表空間角度,單位為(°);縱坐標為燈具模擬光強值,單位為cd。透鏡出射的光線符合準直狀態(tài),光學(xué)系統(tǒng)達到準直的效果。

圖4　35 W探照燈在100 m遠的光斑及光照度分布曲線

圖5　35 W探照燈模擬配光曲線圖

3.2　點光源模擬

為更直觀地驗證透鏡的準直效果,繼而對點光源,進行光學(xué)模擬,如圖6所示。光線經(jīng)過TIR面后的準直效果較好,而模芯位置出射的光線準直效果并不理想,這主要是因?qū)嶋HLED光源與點光源之間存在差異,這也說明在實際產(chǎn)品設(shè)計中不能用把實際光源近似為點光源。

圖6　光線被透鏡準直的示意圖

4驗證測試

經(jīng)過模具制作與注塑生產(chǎn),透鏡被制作出來,如圖7所示。通過與實際LED裝配測試,驗證了透鏡的準直效果。實際光斑效果相對理想,如圖8所示。測試生成的光學(xué)報告顯示,該透鏡光束角為3.2°,K值為122.5 cd/lm,如圖9所示。此款透鏡已經(jīng)在舞臺燈、探照燈、手電筒、汽車前照燈等照明燈具中應(yīng)用。

圖7　實際準直透鏡照片

圖8　實際光斑與光度分布儀接收器

圖9　透鏡實測配光曲線與光束角

5結(jié)束語

本文對試錯法設(shè)計透鏡逼近設(shè)計原理進行了總結(jié),給出了準直透鏡逼近設(shè)計過程,并成功設(shè)計了一款準直透鏡。透鏡外徑為35 mm,總高為21.5 mm。該透鏡應(yīng)用于35 W的探照燈模擬時,在100 m遠處形成一個直徑為8 m的圓形光斑,光斑中心照度達60 lux,效率84.8%,K值125.8 cd/lm。為了驗證實際透鏡準直效果,透鏡被制作出來。經(jīng)過光學(xué)測試,實際透鏡的光束角為3.2°,實測K值為122.5 cd/lm,實際透鏡光束角內(nèi)效率高達84.5%。相比于市場上準直透鏡,此款透鏡被用于實際探照燈燈具中,具有更高的K值、更好的準直效果和更高的光學(xué)效率。

此外,此款透鏡結(jié)構(gòu)勻稱、外形美觀;透鏡沒有尖銳的結(jié)構(gòu),有利于模具的制作與注塑生產(chǎn);透鏡設(shè)計時給定了模具的分模面,方便了透鏡的加工;透鏡具有減膠孔結(jié)構(gòu),降低產(chǎn)品的成本,縮短注塑周期。

參考文獻

[1]許景峰.LED光源在隧道照明中的機遇與挑戰(zhàn)[J].燈與照明,2010(3):31-35.

[2]夏勛力,余彬海,麥鎮(zhèn)強.近朗伯光型LED透鏡的光學(xué)設(shè)計[J].光電技術(shù)應(yīng)用,2010(2):22-26.

[3]丁毅,顧培夫.實現(xiàn)均勻照明的自由曲面反射器[J].光學(xué)學(xué)報,2007(3):510-544.

[4]丁毅.自由曲面光學(xué)器件的設(shè)計及其在照明系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].杭州:浙江大學(xué),2009.

[5]Chen Jinjia,Wang Teyuan.Freeform lens design for LED collimating illumination[J].Optics Express,2012(20):10984-10995.

[6]Chen Jinjia.Freeform surface design for a light-emitting diode-based collimating lens[J].Optical Engineering,2010,49(9):093001-093008.

[7]Mikhail A Moiseev,Leonid L Doskolovich.Design of high-efficient freeform LED lens for illumination of elongated rectangular regions[J].Optical Society of America,2011(19):225-233.

[8]Jiang Jinbo,Sandy To.Optical design of a freeform TIR lens for LED streetlight[J].Optik,2010(121):1761-1765.

[9]Run Hua,Zhiqiang Ganc,Xiaobing Luoa.Design of double freeform-surface lens for LED uniform illumination with minimum Fresnel losses[J].Optik,2013(124):3895-3897.

作者簡介:王未未(1989—),女,碩士研究生。研究方向:光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計。

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(11204107)

收稿日期:2015- 05- 18

中圖分類號TN312+.8

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)01-005-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.002