具有反射透射兩用表面的LED自由曲面透鏡的逼近法計算

周士康，陳春根

(上海三思科技發(fā)展有限公司，上海 201100)

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具有反射透射兩用表面的LED自由曲面透鏡的逼近法計算

周士康，陳春根

(上海三思科技發(fā)展有限公司，上海 201100)

讓透鏡的一個全反射表面同時又能折射，則可以使得透鏡結(jié)構(gòu)簡化體積減小。但對這種雙功能曲面，一般的自由曲面計算無法進行。本文提出了用一種逐次逼近法進行這種透鏡形狀的計算。在一個薄形準直透鏡的例子中，光線從LED出發(fā)經(jīng)入射面射入透鏡，被雙功能面反射向純反射面，再由純反射面返回雙功能面，透射出去成為平行光。計算方法是用一個小循環(huán)逐次修改純反射面形狀，使得光線出射后滿足平行光的要求。再用一個大循環(huán)逐次修改雙功能面的形狀，使得出射光線在透鏡表面分布均勻。文章給出了本方法的詳細步驟，并舉例設(shè)計了一個準直透鏡，其實測透鏡光束角為±2.5°，比市售準直透鏡的同照明距離延長了約4倍。本文的方法對這類一個表面既能反射又能折射的透鏡設(shè)計有普遍意義。

自由曲面；逐次逼近法；雙循環(huán)逼近；雙功能表面；LED；透鏡；準直透鏡；透鏡設(shè)計

引言

按照光學功能來區(qū)分，透鏡表面有反射和折射兩種。適當?shù)脑O(shè)計可以使得一個透鏡表面同時具有反射和折射兩種功能，則透鏡的尺度有可能減小。但雙功能表面會使得設(shè)計計算無法進行。其原因就是多數(shù)計算自由曲面的方法[1-3]。在計算透鏡形狀時，因為一個表面無法同時滿足兩個條件而無法計算。

對于實際工作中的許多問題，求解的方程十分復雜或者是無法得到求解的方程時往往可以使用逐次逼近的方法[4-5]。此法在大量實際問題中都得到了廣泛的應用。我們嘗試把逼近法的思想用在LED透鏡的計算上，取得了成功[6]。

本文提出的透鏡計算方法是一種給定透鏡的形狀后再逐步修正的方法，根據(jù)計算的出射光線與目標光線方向之差來修正表面的形狀，逐步逼近到目標值。只要修正方法正確，就可以使得這種逼近快速收斂。

本文以設(shè)計具有雙功能表面的薄形準直透鏡為例，給出了用逼近法設(shè)計的方法。

1 薄形LED準直透鏡

1.1 由拉赫不變量守恒估算準直透鏡大小

光束角指的是光束中發(fā)光強度為中心強度一半處的兩點對光源的夾角。燈具的光束角越小，其照明距離越遠。我們稱這種光束角很小的光為準直光，LED準直光是靠透鏡產(chǎn)生的，因此小角度的透鏡一直是LED光源設(shè)計者追求的目標。光束角的大小是衡量LED遠距離照明光源的水平的最重要指標。

由下面的分析可以知道，在LED芯片直徑一定時，準直透鏡的光束角和透鏡直徑有極大關(guān)系。因此我們首先估算透鏡的大小。

我們可以認為成像光學是研究物方的一個點如何成像到像方的一個點。而LED準直透鏡的情況，也可以看成是芯片發(fā)出的光要輸送到無窮遠處的一個點而不是照明中通常研究的照明一個面，此時它的光學性質(zhì)就在很大程度上和成像光學相同。

不考慮光損失，則在近軸光學條件下有拉赫不變量守恒。當物像雙方的介質(zhì)折射率都為1時拉赫不變量守恒表示為：

d1·sinθ1=d2·sinθ2

(1)

其中d1,d2為物像兩邊光源的有效直徑,θ1,θ2為兩邊的半光束角。

由拉赫不變量守恒可知，同一光學系統(tǒng)，如要光束角減小必須增大有效光源尺度。圖1表示了這種關(guān)系。圖1中(a)的光束角小，其光源有效尺度必然大；而(b)的光源有效尺度小，則其光束角必然大；但像(c)那樣光束角和光源有效尺度都小的情況是不可能的。在準直透鏡的情況，有效光源尺度就是透鏡的尺度。

圖1 光源有效尺度與光束角的關(guān)系Fig.1 Relationship between effective scale of light source and beam angle

注意，拉赫不變量守恒與折射定律相比，是任何光學系統(tǒng)都必須服從的更為一般的規(guī)律。因此我們可以先不管透鏡用什么結(jié)構(gòu)，而首先用拉赫不變量守恒來估算準直透鏡的大小。我們用Nichia119為芯片，d1=1.1 mm，θ1=60°。我們的目標是希望θ2=±2°，則由拉赫不變量守恒可以估算透鏡直徑d2為

(2)

因此，當使用直徑為1.1 mm的芯片時，不管用什么結(jié)構(gòu)的透鏡，其直徑都應該為28 mm以上。

1.2 LED準直透鏡結(jié)構(gòu)的方案

準直光源透鏡的光學表面形狀可以是拋物面反射鏡。但一般來說拋物面反射鏡深度比較大，許多場合都不合適；而且要形成準直光需把LED及其電路板放在位于拋物面內(nèi)部的焦點處，這會大大影響出光效率；還有一個問題是從拋物面表面發(fā)出的光其亮度不均勻。

另一個方案是用內(nèi)部全反射的杯狀透鏡來做準直透鏡。這種透鏡是多面結(jié)構(gòu)的，一般是一個表面專門負責反射，其余的表面為折射，LED和線路板放在透鏡的外面，沒有擋光的問題，效率較高。但是透鏡的厚度仍較大；而且其表面的亮度也不夠均勻，中心亮而邊緣暗。

我們的方案是讓透鏡的出光面也成為全反射面，即出光面為雙功能面?？梢栽O(shè)計成射向該面的光由于全反射而射向一個純反射面，但光線再次返回該面時角度變成基本上垂直入射，這就可以由該面透射出去了。這種結(jié)構(gòu)可以做得比較薄，而且LED可以放在透鏡內(nèi)部也可以在外部，結(jié)構(gòu)設(shè)計比較方便。對這種雙功能的表面，我們用雙循環(huán)逐次逼近的方法成功地設(shè)計了一個質(zhì)量較高的準直透鏡。其方法可以用于其他透鏡的設(shè)計。

2 設(shè)計方法

圖2給出了逐次逼近法設(shè)計薄形準直透鏡的較為詳細的流程。過程看似復雜，但對于用計算機編程來完成卻較為簡單而快捷。計算的基本方法稱為光通量線方法[7]。

圖2 逼近法計算LED準直透鏡Fig.2 Successive approximation calculations of collimating LED lens

以設(shè)計一個直徑28 mm，中心厚4 mm的薄形準直透鏡為例。本文中簡稱入射面為面0，所述雙功能面為面1，純反射面為面2。這是一個旋轉(zhuǎn)對稱透鏡，因此計算只需要在一個象限內(nèi)進行。下面給出詳細的設(shè)計計算步驟。

步驟1：計算面0。為簡單計，令面0為球面，也就是入射面不改變光線方向。圖3為光通量線數(shù)目n=10，θ1=130°時面0的結(jié)果。這里取光線數(shù)n=10是為了讓讀者看圖清晰。如果為了要適當壓縮LED射入透鏡時的光束角從而收集更多的光線，面0將不是球面，可以按入射面改變LED光束的要求計算透鏡形狀[7]。

圖3 透鏡的入射面(面0)Fig.3 Incident surface of the lens

步驟2：設(shè)定嘗試面。在面2的中心位置(x=0)處給出一個高為h的嘗試垂直平面，其半徑按1.2節(jié)的估計取h=14 mm，并在其上y=3～14 mm 處均布10個試探光線落點，如圖4所示。

圖4 給定目標點后計算雙功能面(面1)Fig.4 Calculation of dual function surface after given target point

步驟3：計算面1。以從面1的反射線通過上述10個點為目標，從點(4,0)開始用反射定律逐個連續(xù)計算10個小反射面的位置和方向，串聯(lián)形成折線構(gòu)成面1，如圖4右方所示。

步驟4：計算面2。以反射線方向水平為目標，從點(0,3)開始用反射定律逐個連續(xù)計算10個小反射面的位置和方向，串聯(lián)形成折線構(gòu)成面2，如圖5(a)所示。

步驟5：計算出射線。先求得面2射出的10條光線分別和面1的那個小線段相交，再用折射定律求這些光線由面1折射后的方向。圖5(a)是計算結(jié)果，由于面1不是平面，因此第1次計算的出射線是不平行的。

步驟6：判斷出射線的方向和水平線相差的角度是否滿足小于給定的小量的條件。如果滿足，相當于面1的出射線都是平行線，則跳過步驟7而直接進行步驟8。如果不滿足，則進行步驟7，開始小循環(huán)逼近。

圖5 修改純反射面(面2)使出射線平行Fig.5 Modify pure reflection surface to make ray parallel

步驟7：小循環(huán)。逐個修改面2的10個小線段的角度，再次由步驟4，5計算。修改的方法是把10條反射線原來的方向由α(i)改為式(3)給出的αnew:

(3)

其中αnew(i)為修正后入射線方向，nd為透鏡折射率，α(i)為原入射線方向，β(i)為上次計算得到的出射線方向，γ(i)為希望的出射線方向，本例γ(i)=0。這里逼近修改的原理是基于折射定律，即因為光線從折射率為nd的介質(zhì)折射向折射率為1的介質(zhì)時，入射角每增加一個小量如1度時，折射角就會增加nd度，因此要讓折射角改變1度，入射角就要改變1/(nd)度。經(jīng)過若干次逼近后就可以滿足步驟6的要求而得到見圖5(b)所示的全部為水平線的出射光。

步驟8：判斷出射面的亮度是否均勻。即判斷各出射光線垂直落點距離之差是否滿足小于給定的小數(shù)的條件，若滿足則計算完成，若不滿足則進行步驟9。

步驟9：大循環(huán)。在已經(jīng)求得的面2上重新均布各反射點的高度，再由步驟3開始下一次大循環(huán)逼近計算，直到如圖6(a)所示全部滿足要求。

選擇事先給定的小量的大小可以使得出射光線平行度和均勻度都達到任意的精度。而表面的平滑程度則取決于n的大小，圖6(b)是n=50的計算結(jié)果，實際設(shè)計中所取的n會更大，如n>200。

注意從LED發(fā)出的光線不是所有都可以在面1全反射，不能全反射的部分在本例中約2 mm，應把這一區(qū)域鍍上反射膜。面2上y>3以上范圍全部鍍膜，而y<3的位置則留給擺放LED。也可以將LED放在透鏡內(nèi)部，這時只要設(shè)置面2的位置為x<0，再進行同樣的計算。

圖6 使出射線均勻分布Fig.6 Make ray uniform distribution

3 實際應用

3.1 透鏡設(shè)計及量產(chǎn)

在實際設(shè)計中我們用了200條光線對上述配置的透鏡進行計算，得到了平滑的表面，加工后的外形見圖7。

圖7 LED準直透鏡外形Fig.7 Outside view of the collimating LED lens

實際批量生產(chǎn)后，實測其半功率角為±2.5°，見圖8，和拉赫不變量估計的相近。

圖8 實測透鏡的光束角為±2.5°Fig.8 Measured lens beam angle is ±2.5°

如上指出的，芯片大則光束角小，燈具使用的芯片直徑達1.1 mm，即使如此，比起商用的±5°的光源，其照明距離是后者的4倍。

3.2 燈具在外墻照明工程中的應用

燈具離開被照明面的距離和被照明的高度之比稱為“距高比”。 在大型廣告牌或建筑物的外墻照明中距高比越小，燈具離開被照明物的距離可以越小，但透鏡設(shè)計越困難。在圖9所示的上海太平洋大廈的外墻照明工程中，距高比達到了1∶14。因此其發(fā)光角的要求是±2.5°以內(nèi)，使用一般的LED透鏡不能達到這一要求。

圖9 上海太平洋大廈的外墻照明Fig.9 Exterior lighting of the Pacific Mansion in shanghai

我們把上述薄形準直透鏡的設(shè)計結(jié)果用在上海太平洋大廈的外墻照明工程中。燈具是4W的模組，用單方向擴散膜(Shaping Diffuser)使得另一個方向的角度達到70°，而在另一個方向上半功率角基本不變，這樣可以得到一個很薄的扇形光。在上海太平洋金融大廈中，燈具緊貼外墻墻面，但仍舊可以達到較均勻的照明效果。

4 討論

1) 由拉赫不變量守恒可以知道：加大透鏡尺度，即令h變大和挑選其他尺寸更小的芯片都可以使得透鏡光束角變小。此外，更高精度的模具加工透鏡也將有助于減小光束角。

2)可能是由于具有雙功能表面的透鏡設(shè)計的困難，其產(chǎn)品并不多見。本文相對簡單的逐次逼近法提供了進一步開發(fā)的手段，有望開發(fā)更多此類產(chǎn)品。

3)對于非準直透鏡，即出射光線不是平行光的情況，也可以用本文的方法計算。這是由于我們的光通量線包含了能量，可以用光通量線的一定分布來達到目標照度的某一分布，具體方法見文獻[7]。

4)本文沒有對是否收斂和收斂速度進行理論分析。本文的逼近公式(3)中，用θ近似代替了sinθ，但由于θ很小，近似程度應較高，收斂速度應該很快，實際設(shè)計也證明了收斂情況很好。

5 結(jié)論

本文提出了一種雙循環(huán)逼近計算法，可以對一個表面同時具有兩種功能的透鏡進行自由曲面的計算。即可以使得出射光線平行度和發(fā)光面的亮度均勻度達到任意給定的精度。實際量產(chǎn)的準直透鏡達到了較高的準直度，在距高比很大的照明工程中得到了令人滿意的效果。本文的方法雖然是以一個具體的透鏡為例，但這一方法對具有雙功能表面透鏡的設(shè)計具有普遍意義。

[1] WANG Lin, QIAN Keyuan, LUO Yi. Discontinuous free-form lens design for prescribed irradiance [J]. Applied Optics, 2007, 46(18), 3716-3723.

[2] RIES Harald. Tailored freeform optical surface [J]. Journal of the Optical Society of America, 2002, 19(3)：590-595.

[3] 丁毅，顧培夫.實現(xiàn)均勻照明的自由曲面反射器 [J]. 光學學報，27(3)：540-544.

[4] 潘林森，王飛.逐次逼近法[M]. 成都：四川科學技術(shù)出版社，1989.

[5] 趙根榕.逐次逼近法[M]. 北京：科學普及出版社，1965.

[6] 準直透鏡的設(shè)計方法：：中國，CN200910201160.1[P].2009-12-15.

[7] 周士康，陳春根，許禮，等. 光通量線方法用于LED二次光學設(shè)計[J]. 照明工程學報，2015, 27(1): 101-111.

Successive Approximation Calculations of Free Form Surface LED Lens with Double Function Surface of Reflection and Refraction

ZHOU Shikang, CHEN Chungen

(Shanghai Sansi Technology Co.Ltd, Shanghai 201100, China)

Allowing a fully reflective surface of the lens to refract simultaneously, lens structure can be simplified to reduce lens size. But for this kind of double function surface, general free-form surface calculation cannot be carried out. In this paper, a successive approximation method is proposed to calculate the shape of such lens. In the case of a thin collimating lens, the light enters the lens from the LED through an incident surface, reflects by the double function surface to a pure reflecting surface, and then returns back to the double function surface from the pure reflecting surface, and finally transmits out in the form of parallel light. The calculation method is to successively modify the shape of the pure reflection surface with a small cycle to make the light meet the requirement of parallel light after the light is emitted. Then a large cycle is used to successively modify the shape of the double function surface to make the light meet the requirement of uniform distribution on the lens surface. The detailed steps of this method are given in this paper, and a collimating lens is designed as an example. The measured lens beam angle is ±2.5°, which is about 4 times longer than that of commercial collimating lens. The method presented in this paper is of general significance for the design of a lens with both reflection and refraction.

free form surface; successive approximation method; double cycle approximation; double function surface; LED; lens; collimating lens; lens design

國家863計劃“十城萬盞”半導體照明應用研究及示范——“標準化模塊化LED道路照明及智能控制系統(tǒng)研發(fā)及示范”(課題號：2013AA03A112)

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10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.019