一种基于LED的均匀矩形光斑透镜设计

杨 朋 谌雄文 周 韬 尹 君

（怀化学院机械与光电物理学院，湖南 怀化418008）

一种基于LED的均匀矩形光斑透镜设计

杨 朋 谌雄文 周 韬 尹 君

（怀化学院机械与光电物理学院，湖南 怀化418008）

本文从三维给定的LED非成像光学设计出发，探讨了针对LED的二次光学设计方法，并用此方法设计出了能够得到矩形均匀光斑的透镜，对照明系统的仿真模拟验证，证明了这种方法的可行性和正确性。

LED；二次光学设计；矩形光斑

0 前言

相比于传统的照明系统，LED因为它的固有优势（效率高、能耗小、光色纯、电压低、寿命长等）成为了照明的主要趋势[1]。未经过二次光学设计的LED本身发出的光不符合照明要求，具体原因为：单颗LED发光范围小；出光角度与光照强度在空间上呈朗伯型分布[2]。因此，要将LED应用于照明领域就必须对LED进行二次光学设计。

1 LED二次光学设计

LED二次光学设计的概念是针对LED的一次光学设计的。LED的一次光学设计指的是：在对LED芯片进行封装的过程中,对LED进行的光学设计。LED的一次光学设计主要目的在于：一、取出LED芯片中发出的光能，二、使LED发出的光出射呈一定的角度。二次光学设计的目的则是保证整个照明系统(或灯具)的出光质量[2]。二次光学设计是把LED器件发出的光线集中到系统期望的照明区域上（目标照明面），并满足一定的光强度分部要求，从而使整个系统发出的光能满足设计的要求[3]。

本文针对LED的二次光学设计，采用的是折射式二次光学设计，本文所使用的LED光源是CERR公司的XP-E芯片，图1是该光源的3D模型图。

LED二次光学设计中，首先应该明确光源的性质以及照明系统的要求，再根据整体要求（场所尺寸、光强度等）确定设计所要达到的出射角度、光强分布等，然后建立理论计算模型，建立透镜模型，将模型导入分析软件中进行模拟分析。本文所采取的设计思路如下图2。

2 透镜面型的设计

2.1 矩形均匀光斑的LED照明系统设计要求

本文所设计的单颗LED矩形光斑透镜照明系统适用于室内、走廊、楼梯间，可以根据不同的应用场所改变LED灯珠的布局。也就是说，应用场所决定这种照明系统的要求，本文设计的LED灯具适用于走廊。设计时要具体情况具体解决。如图3示，在长200mm、宽110mm的平板上均匀放置LED光源，要求对LED进行二次光学设计，在照明目标面上得到一个均匀的矩形光斑。

具体的要求如下：

1）发散角：110°；俯仰角40°。

2）照度：5米的照度要求33lux。

3）均匀度：不得超过10%，即最大光通量与最小光通量之差要小于10%。

4）光能利用率：在保证均匀度的前提下不得低于60%，越高越好。

2.2 矩形均匀光斑的LED照明系统设计思路

根据设计要求，设计的主要关键点有：1）需要对LED进行二次配光透镜设计，要求范围发散角110°、俯仰角40°（如图4示，α表示发散角，β表示俯仰角）。2）在保证均匀度的前提下，尽量提高照明系统的光能利用率。3）此照明系统为室内照明灯，要求系统的重量越小越好，系统结构越简单越好。综上所述，既要保证出光角度的准确性、提高光能利用率，又要减轻系统重量，利用透镜完成二次光学设计成为首选。最佳的方案应该是设计一个透镜，将这个透镜加在每一个LED光源前面，使得整个照明系统达到其技术要求[3]。这样，照明系统的设计就转变为针对单个LED光源进行二次光学设计。

2.3 3D模型的建立

下面给出编程计算出的空间离散点的图2.3。

在主程序中包括了将计算的坐标值保存到一个Excel文件中，计算出空间离散点后，将得到的离散点数据导入机械设计软件solid works中，进行曲线拟合，得到的拟合曲线如图6所示：

得到离散点及空间曲线后，在软件中建立的3D模型如图7。图7是矩形均匀光斑透镜的模型图，模型图中，透镜的底部都出现了半圆形的空洞，这是为LED灯珠预留的放置位置，LED具体3D模型如图1。

2.4 矩形均匀光斑透镜模拟仿真

将得到的透镜3D模型导入光学仿真软件中，设定符合条件的光源，所选择的光源与所采用的LED光源特性符合。将透镜置于单个LED光源前，设定透镜的折射率，模拟追迹的光线数为100万条，模拟过程如图8所示。

模拟结果如下，图9是矩形均匀光斑单个透镜的模拟照度分布图，从中可知，LED在进过设计的单个透镜后能够得到一个均匀的矩形光斑，设计结果符合均匀性要求。

单个透镜得到矩形的均匀光斑后，对整个系统进行模拟仿真，在软件中阵列复制单个光源以及透镜，LED的布置为一共15颗，形成3×5的排列方式，如图3所示。模拟过程图如图10所示。图11是照明系统模拟仿真后的辐照度分布图，图12是矩形均匀光斑照明系统配光曲线图。从图中可知，进过15颗LED排列出射后的光斑均匀效果并没有单个透镜的效果好，但均匀性还是能够达到要求的。

图11是矩形均匀光斑照明系统的辐照度分析图，从图中可以看出本次模拟的光线追迹总数为37万条，光能利用率为67%，辐照度平均值为0.16，辐照度的最大值与最小值差值较大。虽然单个的光源透镜模拟均匀性能够达到90%，但是整个照明系统的均匀性也能达到90%。照明目标范围达到了技术要求。图12给出了矩形均匀光斑照明系统的配光曲线图，从图中可以看出，整个系统的出光角度能够达到技术要求的120度。

3 照明系统仿真结果分析总结

从模拟仿真结果可知，对于单个的光源，透镜的模拟仿真结果非常理想，但是整体效果并没有单个光源理想，这是因为在整体布灯环节没有经过严格的计算推理。虽然整体效果稍有偏差，但是还是符合整体设计要求。

［1］闫瑞,肖志松,邓思盛等.LED光学设计的现状与展望[J].照明工程学报,2011, 22(2):38-42.

［2］苏达,王德苗.大功率LED散热封装技术研究[J].照明工程学报,2007,18(2): 69-71.

［3］罗晓霞,刘华,卢振武,等.实现 LED准直照明的优化设计[J].光子学报,2011, 40(9):1351-1355.

［4］Wang K,Liu S,Chen F,et al.Freeform LED lens for rectangularly prescribed illumination[J].Journal of Optics A:Pure and Applied Optics,2009,11(10): 105501.

［5］Wang H,Wang H,Du N,et al.Study on optical design method for LED extended sources[C]//Proc.of SPIE Vol.2010,7655:765536-1.

［6］Wang S,Wang K,Chen F,et al.Design of primary optics for LED chip array in road lighting application[J].Optics Express,2011,19(104):A716-A724.

［责任编辑：朱丽娜］

A Lens Design of Rectangular Light Distribution Based on LED

YANG Peng CHEN Qiong-wen ZHOU Tao YIN Jun
(College of Mechanical Engineering,Optic-electronics and Physics,Huaihua University,Huaihua Hunan 418008,China)

Based on non-imaging geometry theories and mathematical knowledge,a method of designing of free-form surface is discussed.A lens of rectangular light distribution is designed by this method.The simulation of lighting systems proved the feasibility and correctness of the method.

LED;The secondary optical design;Rectangular light distribution

杨朋（1988—），女，助教，研究方向为光学设计。