基于LED擴展光源組合透鏡的設(shè)計方法

陳俄振 王柯喬

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基于LED擴展光源組合透鏡的設(shè)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(xiàn)不同配光的LED光學設(shè)計問題，基于擴展光源，構(gòu)建組合透鏡照明系統(tǒng)，實現(xiàn)多種配光。首先根據(jù)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(jié)合最小阻尼二乘法優(yōu)化初始模型，實現(xiàn)光線經(jīng)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(jié)構(gòu)模型。通過改變微結(jié)構(gòu)上的不同切平面的法向斜率，最終實現(xiàn)不同角度的配光曲線和光斑，利用光學軟件對所設(shè)計模型進行驗證，仿真結(jié)果證明了該設(shè)計方法的可行性。

光學設(shè)計；組合鏡頭；貝塞爾算法；微結(jié)構(gòu)；LED擴展光源

引言

發(fā)光二極管（LED）以其固有優(yōu)勢成為第四代新光源后，越來越多地應(yīng)用在照明領(lǐng)域[1]。但是發(fā)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(shè)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(xiàn)場視覺上的效果。在實際應(yīng)用中，設(shè)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(yīng)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(shè)計兩級光學透鏡實現(xiàn)多種配光的LED照明系統(tǒng)，系統(tǒng)簡易，僅更換第二級鏡片就可以實現(xiàn)要求的配光，方便用戶安裝更換，節(jié)約成本，具有一定的參考價值。

LED透鏡設(shè)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(chǔ)上再進行反饋優(yōu)化或者多參數(shù)優(yōu)化。本文利用貝塞爾算法結(jié)合最小阻尼二乘法，優(yōu)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(jié)構(gòu)，最終使光線經(jīng)過二級透鏡后實現(xiàn)不同配光和光斑。

1 LED擴展光源實現(xiàn)多種配光理論原理

為實現(xiàn)多種光斑效果，需要LED光源經(jīng)一級透鏡后，呈現(xiàn)準直光線，準直透鏡再經(jīng)過光學薄片，從而實現(xiàn)不同光斑。LED封裝后的配光為朗伯分布，利用貝塞爾算法優(yōu)化出一級透鏡模型，根據(jù)一級透鏡的出光光線，計算二級透鏡的微結(jié)構(gòu)。具體的設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 光學系統(tǒng)設(shè)計原理圖

1.1 準直透鏡的設(shè)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(yōu)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(yōu)化初始模型。

貝塞爾曲線函數(shù)方程為：

貝塞爾曲線對應(yīng)的多邊形的邊矢量表達式為：

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

1.3 二級透鏡微結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

LED光線經(jīng)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(shè)計微結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)截面示意圖；（b）光線在一個單位的微結(jié)構(gòu)折射示意圖

光線在微結(jié)構(gòu)表面發(fā)生折射，根據(jù)折射公式

2 多種配光的設(shè)計實例

利用上述的計算方法，設(shè)計一套由兩級透鏡組成的照明系統(tǒng)。一級透鏡的材質(zhì)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(fā)光面積直徑設(shè)置為5?mm，該光源不能視為點光源。在貝塞爾優(yōu)化過程中，采用LED近場光線文件進行優(yōu)化。二級透鏡的材質(zhì)選用PC，其折射率為1.591，在距離光源前面1 m處設(shè)置一面1m×1m的虛擬面作為光斑的接收面。為了實現(xiàn)不同光斑和配光曲線，設(shè)計幾種法線斜率的微結(jié)構(gòu)。

將仿真結(jié)果繪制成表，如表1所示。

表1 出光角度隨微結(jié)構(gòu)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(jié)論

本文提出基于LED擴展光源組合透鏡實現(xiàn)多種配光的設(shè)計方法。該系統(tǒng)由兩級透鏡組成：第一級透鏡根據(jù)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(yōu)化初始模型，從而得出近似準直的光線，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)法線斜率對出光的影響。本文用該計算方法設(shè)計多種二級透鏡微結(jié)構(gòu)并導入軟件進行蒙特卡羅光線追擊，仿真的結(jié)果驗證了設(shè)計方法的可行性，可見該設(shè)計方法對實現(xiàn)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(yè)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(shè)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，F(xiàn)eng 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(wěn)萍，郭震寧，林介本，等. 實現(xiàn)近場均勻照明的雙自由曲面大角度透鏡設(shè)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(shè)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(shù)值解結(jié)構(gòu)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(yōu)化設(shè)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(jīng)緯劃分和切面迭代的自由曲面LED透鏡設(shè)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(wǎng)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(shè)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(tǒng)發(fā)射端的光學設(shè)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(fā)光器件及光學設(shè)計的研究。E-mail：271707735@ qq.com。