自由曲面LED准直透镜设计

2016-03-04杜国红吴一新陈亮杜罡刘杨石岩

山东工业技术 2016年5期

杜国红　吴一新　陈亮　杜罡　刘杨　石岩

摘要：LED作为下一代的主流光源拥有各种传统光源无可替代的优势。但是由于独特的发光机理，在使用LED光源时需要为其重新进行光学设计来满足实际的照明需求，而准直照明是其中的重要部分。LED准直透镜对光线准直度有着重要的影响，合理的透镜结构有利于提升LED照明光源的二次配光。本文将自由曲面作为准直透镜设计选择的表面结构，综合其各个方面的优点，非常适合LED准直透镜设计。

关键词：自由曲面；光学设计；LED；准直透镜

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.05.254

0 引言

LED作为第四代照明光源，拥有诸多的优点，被应用在许多领域。LED光源具有体积小、效率高、响应快、易调光、色域范围宽、无汞污染、使用寿命长等特点，是一种节能环保的新型光源[1-2]。LED透镜与LED光源一起构成完整的光学系统，透镜使用的目的是为了能够增强光的使用效率和发光效率。因此在不同条件下，使用与之相匹配的透镜，将可以改变LED照明系统的光场分布。LED准直透镜对光线准直度有着重要的影响，合理的透镜结构有利于提升LED照明光源的二次配光。不同结构的LED准直光学透镜，各有特点，对LED光源的准直效果也不相同。自由曲面作为准直透镜设计选择的表面结构，综合其各个方面的优点，非常适合LED准直透镜设计。本文考虑了LED的发光特性，介绍了用于LED准直自由曲面透镜设计方法，并介绍了一个设计实例。

1 自由曲面与LED准直透镜

自由曲面是最复杂而又经常使用的曲面，在许多领域中很多零件的外形均为自由曲面，如：飞机机翼、汽车外形、模具工件表面等[3]。

自由曲面的求解方法主要有：剪裁法、划分网格法和SMS法。[4]剪裁法的基本思路是利用目标面的照度分布以及光源特性等数据列出一个关于光学面形的非线性偏微分方程组，通过求解微分方程组，得到相应的光学表面。例如偏微分方程组数值求解法，大多被用于设计均匀照明的自由曲面透镜；基于光学扩展量守恒思想，主要是用于LED路灯透镜设计等。划分网格法的基本思路是边缘光线理论，然后再通过求解能量守恒方程，从未得到光源每小网格与目标平面每小网格能量的相对应的关系，最后通过斯涅耳定律来构造曲面结构。SMS 法主要是针对扩展光源设计的方法，这个方法可以运用于透镜多个表面的设计，来调节光源发出的两个波面，使其变换成两个输出波面。但是这种方法存在着一个确定，那就是求解比较繁琐，以至于设计难度增加。

要注意到的是在解决照明问题时，如果从光线追迹的角度看，可以发现光源与照明目标面上的点并不存在一一对应的关系；扩展光源上的每一个点可能都与整个照明目标面相对应，最终实现目标面的特定照度分布。基于非成像光学理论的照明系统，主要包括CPC、自由曲面等照明系统。[5]

LED准直透镜。平行光在光学测量中有着非常重要的作用，干涉仪、平行光管等使用的都是平行光。目前市场上最好的LED二次光学透镜得到的平行光的光束角都比±5°差。如果能得到光束角更小的LED光源，特别是大功率LED的平行光光源，无疑将扩大LED光源的应用范围。随着新增的应用领域，对LED照明光线的要求也不断的增加。目前，通过二次光学元件的应用，LED照明系统的光学利用率基本上在80%～90%。照明距离维持在600m左右。因此，为了能够满足LED照明的需求，我们需要通过不断优化LED及其灯具，使得发光效率得以提高，照明距离能过变得更远。

2 自由曲面的设计方法

根据以往的几何光学的分析，如图1所示，我们可以使用下面的过程，在自由曲面上找到每一个反射或折射点，为了其二维轮廓可以分步实施。图1说明了从光源发射和重定向的自由曲面反射面到规定的方向平行于光轴的光线。红色线为i0，i1，i2和i3分别代表对于任意假定的光线，这些光线是从光源S发出，然后击中反射表面分别在点P0，P1，P2，P3。P0事二维轮廓的起始点，并且是按照表面设计要求给定的。蓝色虚线的向量T0，T1，T2，是用于构建二维轮廓，分别表示在点P0，P1和P2的切线向量。

所有通过以上两种方法计算得出的点坐标都将输入matlab进行曲线拟合，从而得到光滑的曲线来表达该段自由曲面通过给出的自由曲面。最后将各段曲线连接后即可得到所求的准直透镜的整体面型。

3 设计实例

利用以上方法，进行了旋转对称自由曲面的设计，获得的自由曲面透镜。

通过比较三组不同入射口径，相同结构的自由曲面准直透镜来对LED准直透镜进行研究，它们的口径分别为16cm、20cm、24cm。在光源相同、接收板距离相同的条件下，经过tracepro光学仿真，得到以下数据。

结合图4和图5，可得接收面上最高点光通量的50%所对应的横坐标就是半角大小，最高点光通量20%对应的横坐标的两倍就是全角大小。

接收面上最高点光通量的50%所对应最高点光通量20%对应的横坐标的两倍就是全角大小。

4 结论

利用自有曲面设计的LED准直透镜在不同孔径下都有着优秀的准直效果。在不同的场合选用合适的方法和初始结构来设计自由曲面准直透镜能明显提升照明效率。所以，以自由曲面作为准直透镜设计选择的表面结构，拥有良好的的适应性等诸多优点，适合作为准直透镜的设计基础。

参考文献：

[1]严萍，李剑清.照明用LED光学系统的计算机辅助设计[J].半导体光电，2004，25（03）：181-200.

[2]李林，王光珍，王丽莉等.实现均匀照明的LED系统设计方法[J].光学学报，2012，32（02）：0222002.

[3]朱娟.自由曲线面可视化生成与处理系统[D].东北大学，2008.