實現(xiàn)多顆LED光源均勻照明的高亮度透鏡設(shè)計

吳玉玉，陳慶仲

（廣東省全億大科技［佛山］有限公司，廣東佛山528000）

實現(xiàn)多顆LED光源均勻照明的高亮度透鏡設(shè)計

吳玉玉，陳慶仲

（廣東省全億大科技［佛山］有限公司，廣東佛山528000）

根據(jù)多顆LED組成的離散型發(fā)光面的特點，提出了一種能夠使這種離散型發(fā)光面均勻照明的透鏡設(shè)計方法，并推導(dǎo)出產(chǎn)生均勻光斑的透鏡設(shè)計方程，并采用建模軟件求解建模。這種“一對多合一”的配光方式不僅解決了市面上“一對一”的配光方式所帶來的成本高、光效低等問題，也解決了針對COB設(shè)計的透鏡光斑、黃斑問題，實現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的均勻照明。

光學(xué)設(shè)計；均勻照明；多合一光源；離散型發(fā)光面

隨著現(xiàn)代科技生活的發(fā)展，LED燈在景觀照明、道路照明、廣場照明及家庭照明等領(lǐng)域廣泛運用。相比傳統(tǒng)的鹵素?zé)艉桶谉霟?，LED燈具有性能穩(wěn)定、壽命長、環(huán)保、光效高等優(yōu)點，這使得LED燈的市場得以快速發(fā)展，因此伴隨LED燈的二次光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域也得到了很大的擴(kuò)展。

為了達(dá)到不同的照明要求，LED光源的二次光學(xué)設(shè)計尤為重要。但是，有別于傳統(tǒng)光源，LED光源為面光源，二次光學(xué)透鏡設(shè)計稍有不慎，就會引起光斑、黃斑等缺陷。其次，傳統(tǒng)的大功率LED燈具都是由多顆LED組合而成，且采用一對一的配光方式，存在透鏡顆數(shù)多、燈具尺寸大、浪費透鏡材料等缺點，而由于多顆LED光源組成的發(fā)光面呈現(xiàn)離散形式，致使此類透鏡的開發(fā)總是存在光斑和黃斑等現(xiàn)象，且此類離散型光源發(fā)光面較大，因此針對此類發(fā)光面開發(fā)小角度透鏡存在很大的難度，現(xiàn)市面上已經(jīng)開發(fā)出來的大多數(shù)小角度透鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這不僅加大了開模難度也增加了透鏡開發(fā)成本。因此，尋找結(jié)構(gòu)簡單、專門運用于多合一LED光源的二次光學(xué)透鏡，顯得尤為重要。

本文根據(jù)非成像原理，針對多顆LED光源共享一個凹凸聚光透鏡進(jìn)行設(shè)計，這不僅能大大減少燈具里面透鏡的數(shù)量，有效縮小透鏡模塊尺寸，節(jié)約光學(xué)材料用量，降低制造成本，大幅度提高整燈的光通量，且凹凸透鏡結(jié)構(gòu)簡單，大大降低了透鏡的開發(fā)成本。

1　LED光源

LED光源封裝結(jié)構(gòu)中，需要設(shè)計一款封裝透鏡來控制LED的出光光束角，根據(jù)不同運用，LED裸光源的出光光束角2θ1/2為120°、90°、60°、30°等。而最常見的LED裸光源是2θ1/2為120°的朗伯型特征光源，此類光源在大自然中廣泛存在，太陽光、白墻反射都可以看做朗伯光源，此類光源具有各向同性，各個角度的光分布均勻，有利于透鏡設(shè)計，是較為理想的裸光源材料［1］。此類光源在某個角度上的發(fā)光強(qiáng)度Iθ為

式（1）中I0為垂直于發(fā)光面方向上的發(fā)光光強(qiáng)。

與此同時，根據(jù)亮度定義，如圖1所示，對與朗伯型光源在某角度θ方向上的亮度Lθ為

式（2）中Lθ的單位為尼特。

圖1　光源亮度定義圖

從式（2）I0/ds可以看出，朗伯型特征的LED裸光源在任意角度上人眼所感知的亮度是一樣的，這對LED照明二次光學(xué)設(shè)計具有很大的意義［2］。

2　設(shè)計原理

以光源所在位置建立坐標(biāo)系，如圖2所示。根據(jù)折射定律可知

式（3）中n1和n2分別表示入射光線和折射光線的折射率，α1和α2分別代表入射角和折射角。

圖2　入/出射光線與自由曲面之間的幾何關(guān)系

由圖2可知，入射光線和折射光線的斜率分別為tan φ1和tan φ2，則如圖可知

結(jié)合式（3～5）可得

（6）式中，由于光線從透鏡折射進(jìn)空氣，空氣的折射率為1，則設(shè)透鏡材料的折射率n2=n。若設(shè)圖2 中A點處的坐標(biāo)為（x，z），B點處的坐標(biāo)為（xd，zd）則（7）式中

由于達(dá)到均勻照明，照明目標(biāo)面上的照度E恒定，則目標(biāo)面上某特定區(qū)域內(nèi)的光強(qiáng)I1和整個目標(biāo)面上的光強(qiáng)I2的比值與該特定區(qū)域的面積和整個目標(biāo)面面積的比值相等［3］

式（9）中，x為某特定區(qū)域的半徑，R為整個目標(biāo)面的半徑。

而在發(fā)散半角θ1/2的光錐內(nèi)的光強(qiáng)I1/2相對于總光強(qiáng)I0之間的比值為［4］

由于均勻照明，則各個點的光強(qiáng)相同，所以I1=I1/2，I2=I0。式（10）中的參數(shù)m由發(fā)散半角θ1/2決定，當(dāng)參數(shù)m=1時，LED即可被看出理想朗伯型光源。所以，結(jié)合式（9）和（10）有

則由式（11）得出

其中

最后，使用數(shù)值方法進(jìn)行求解計算得到自由曲面在平面上的軌跡，后利用建模軟件饒中心軸旋轉(zhuǎn)一周得到完整的曲面模型。

3　實驗

利用上述方法進(jìn)行照明設(shè)計，選擇6 V、4 W的大功率白光LED組合的離散型發(fā)光面作為原始光源。選用PMMA為透鏡材料進(jìn)行試驗，利用Tracepro進(jìn)行模擬仿真［5］，選取總光線亮度0.1%進(jìn)行顯示，圖3～6所示為7顆光源組成的離散型發(fā)光面的模擬結(jié)果，產(chǎn)生有效半徑大約為300 mm的均勻光斑，半光強(qiáng)角約為42°的小角度透鏡，中心亮度為 1 070 cd/m2，光學(xué)系統(tǒng)效率大于85%，照度均勻度優(yōu)于91.05%，做成整燈的光效為126.92 lm/W。與此同時，在散熱和空間的允許條件下，離散型的發(fā)光面可由1～n顆光源組成，以達(dá)到自己想要的光型，如圖7所示為7顆光源的排布情況。利用此模型對多顆LED組成的離散型發(fā)光面進(jìn)行配光，能有效改善目標(biāo)面的均勻照明，提高照明系統(tǒng)的能量利用率和整燈光效，如圖8所示為做成整燈的整個透鏡排布情況。

圖3　單顆透鏡模擬　

圖5　透鏡的極坐標(biāo)光強(qiáng)分布曲線

圖6　透鏡的極坐標(biāo)光強(qiáng)分布曲線　

圖7　七顆光源排布情況

圖8　整燈的透鏡排布

4　結(jié)論

本文根據(jù)多合一LED組成的離散型發(fā)光面特點、折射原理、均勻照明條件建立關(guān)于xd=g（x，z）的自由曲面設(shè)計方程，并通過MALAB編程求出數(shù)值解，最后，利用建模軟件PRO/ENGINEER建模。利用照明軟件Tracepro建立發(fā)光面，對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行模擬認(rèn)證和改善，從而實現(xiàn)目標(biāo)面的均勻照明。與此同時，這種“多合一”配光方式，不僅可以縮小燈具尺寸，減小透鏡用量，降低成本，也大大地提高了照明系統(tǒng)的能量利用率和整燈光效。

［1］李小彤.幾何光學(xué)和光學(xué)設(shè)計［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，1997：35-36.

［2］陳明祥，羅小兵，馬澤濤，等.大功率白光LED封裝設(shè)與研究進(jìn)展［J］.半導(dǎo)體光電，2006，27（6）：653-658.

［3］丁毅，鄭臻榮，顧培夫.實現(xiàn)LED照明的自由曲面透鏡設(shè)計［J］.光子學(xué)報，2009，38（6）：1486-1489.

［4］WINSTONR，MINANOJ C，BENITEZP.Nonimagingoptics［M］.Amsterdam：Elsevier Academic Press，2005：47-50.

［5］王樂.LED應(yīng)用于照明的計算和仿真［J］.照明工程學(xué)報，2007，18（1）：25-30.

【責(zé)任編輯：周紹纓410154121@qq.com】

The method of lens design for LEDS uniform illumination

WUYu-yu，CHENQing-zhong

（Champ tech optical corporation，F(xiàn)oshan，Guangdong，F(xiàn)oshan 528000，China）

Accordingtothe characteristics ofdiscrete light-emittingsurface，we proposed a method of lens design for many LEDS uniform Illumination.We formulated a lens design equation，and with the model formed by PROENGINEER，the uniform illumination at target surface has obtained.This method not only solve these problem such as high cost、lowlumens and so on which caused by“one to one”method of lens design，but also solve these problemcaused bylens design for COB，such as light spot and yellowspot.

lens design；uniformillumination；one tomanyemitter；discrete light-emittingsurface

O432

A

1008-0171（2016）04-0018-05

2016-05-05

吳玉玉（1989-），女，海南?？谌?，全億大科技（佛山）有限公司工程師。