一种混色照明透镜设计

李 强，李湘宁,2,3，潘逸君



一种混色照明透镜设计

李 强1，李湘宁1,2,3，潘逸君1

( 1. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2. 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093；3. 教育部光学仪器与系统工程研究中心，上海 200093 )

混色均匀性对大部分彩色LED照明而言都是一个难点，尤其体现在近距离小角度空间范围。本文由此提出了准直透镜与复眼微结构组合的混色透镜设计，具有良好的混色效果，适用于智能照明。根据实际仿真，对设计方法进行特性分析，以找到能量利用率和混色效果之间的平衡点。最后给出一个发散角为20°、能量利用率达到93%且在远近空间都具有良好混色效果的设计结果，证明该设计方法的可行性。

照明设计；非成像光学；彩色

0 引 言

LED具有独特的可控性[1]，为光的利用增加了新的方向。与传统光源相比，LED在发光光谱、偏振、时间调制、辐射方向和颜色等领域具有更大自由度。彩色LED能实现颜色随控制电压实时变化，这种简易的控制性和良好的效果是照明史上前所未有的。

彩色LED对颜色的可控性在照明应用中是非常具有吸引性的，目前被广泛应用在射灯、天花灯、舞台灯等智能照明[2-3]。其基本混光方式遵从三基色原理，单独开启红、绿、蓝，可获得三种颜色，通过灯具混光后得到各种颜色。光学混色要实现三维空间的混光，不仅是在指定平面上实现色彩的混合，还要具有一定的工作距离。传统上，光学混色需要大角度或长距离的条件。在短距离和小角度空间范围内，即使不考虑效率，也很难实现混色。目前，国内主流的混色研究是致力于缩小单色LED的二次光学设计结构与排列最优的三色LED阵列组合，以解决近距离小角度的混色问题。而本文提出了基于RGBW四色芯片混色方案，利用TIR透镜组合复眼微结构来实现，还根据其特性进行分析，为解决近距离小角度的混色问题提供新思路。

1 二次光学设计

在光学混色方案中，最简易的是通过多个LED直接结合(图1(a))，但是在近距离空间仍存在鲜明的色彩差异。另外一类混色方案是通过二次光学设计的混合器混光后输出。这些混合器的作用原理可以分为散射[4](图1(b))和扩散(图1(c))。利用散色器件能直接得到良好的混光作用，但不可避免会增加光束的出射角度，同时伴随大量功率损耗。而利用扩散器件，遵从几何光学原理，改变各种单色光的传播途径使其重合，在满足光学扩展量[5]的条件下，可以调节出射光束的出射角，而且在能量利用率方面有着显著优势。但是扩散器件对LED的位置摆放相当敏感，并且每种二次光学设计可能相当复杂或难以加工。

图1 混色方案

本文提出了一种相对简单的扩散器件的二次光学设计方法，如图2所示。目前，彩色LED采用的是RGBW四合一芯片，如图3所示，RGB调节色度，W调节亮度。首先，本文通过TIR透镜让四色光束准直，这样，每种颜色的光都有相近且较小的出射角。然后，为了让光束实现空间上的混色，再利用复眼微结构[6]扩散准直光束，使其叠加混合。

图2 光学结构

图3 RGBW 芯片

1.1 口径计算

光学扩展量，非成像光学中的重要概念，用于描述具有一定孔径角和截面积的光束的几何特性。在理想情况下，光学系统对光学扩展量是守恒的。所以，由式(1)计算TIR透镜的出射口径。

选取合理的透镜出射口径一般决定了最终混色透镜的效果。

1.2 准直TIR透镜设计

在建立准直TIR透镜[7]时，最简单的方法是将光源视为点光源。如图4所示，根据斯涅耳定律和数学计算方法离散求解自由曲面透镜。也可以如图5所示，利用lighttools的优化功能，直接优化得到透镜。

图4 自由曲面TIR 透镜剖面图

图5 准直透镜

对特定光强分布的准直TIR透镜，利用lighttools的光强切片优化方法，对基于面光源的TIR透镜进行优化，如图6所示。在合理设置参数和调节优化步骤后，可以得到有效的TIR透镜。

图6 强度切片

1.3 复眼微结构设计

复眼微结构设计包括微结构曲面形状与微结构的排布。微结构曲面形状，可以用球面来满足发散角要求。对于特定光强分布的混色透镜，微结构曲面设计时结合准直透镜，且设计成自由曲面[8]。微结构的排布方式同时影响着发散角和发光强度分布，合理采用微结构的排布方式能提高混色效果。

目前复眼微结构采用平凸透镜排列组合[9]形成的阵列透镜。常用的排列方式有矩形、六边形、径向，如图7所示。特殊的排列有斐波那契、贝塞尔等非对称排列。

图7 排列方式

2 特性分析

2.1 混色效果

单色灯在评价照明效果时，对照度数据进行比较，混色灯在评价照明效果时，除了对比照度数值是否达标，还要比较混色情况。本设计的效果是针对彩色LED输出随电压变化实时对应的彩色光斑，提出两种混色效果评价方法。第一种，将四色LED芯片的四片光源全开，观察真彩图(图8)，混色效果越差，RGBW四色越分明，否则呈现单色。第二种，分别开启四色LED芯片中的单色光源(图9)，比较四种颜色光斑是否具有相同分布。

图8 整体真彩图

图9 单色真彩图

2.2 准直透镜与复眼微结构匹配

准直透镜对光源具有准直效果，而复眼微结构对准直后的光线具有扩散效果。理论上光源发出的光线经过准直透镜，出射光的发散角越小，各单色光在角度上的重叠越好，经过复眼微结构后扩散，能实现最佳的空间混色效果。通过对准直性不同的TIR透镜组合六边形排布的复眼微结构的整体透镜进行仿真后。如图10所示，光源经过准直性良好的组合透镜，1 m处的光斑呈现六边形轮廓。如图11所示，光源经过准直性稍差的组合透镜，1 m处的光斑呈现圆形轮廓。这是由于水平光线经过复眼透镜时，会在空间各截面投射出微结构的像，而当光线有一定发散角时，在空间各截面投射时保持其本身的轮廓。

图10 六边形光斑

图11 圆形光斑

2.3 微结构排布方式

复眼微结构的排布方式对最后的混色效果、光斑形状和光强分布都有一定的影响。对按矩形排布的复眼微结构，由于各微结构间存在间隙，所以混色效果并不佳。如图12所示，复眼按矩形排布的透镜，仅开启一个单色光源时，光斑并非中心对称，必然导致混色效果不佳。

图12 非对称光斑

2.4 微结构数量

由于单色光经过准直透镜后在透镜出射面的照度分布是非中心对称的，为了使光线经过复眼透镜后出射光强中心对称，达到良好混色效果，需要复眼微结构对光线进行重塑。理论上当单个微结构越小时，微结构所处区域的光线可以近似均匀分布，经微结构后出射光强近似中心对称。所以，增加微结构数量可以提高混色效果。而在光效方面，当复眼微结构数量多时，对应的单个微结构曲率半径过小，通过它的光线会发生全反射，造成菲涅尔损耗，导致光效降低。

2.5 加工与检测

目前大部分大批量生产的高精度自由曲面透镜是使用注射成型法制造的，因此首先需要制造精度高、粗糙度小的自由曲面模芯。自由曲面在当今的数控加工中多采用STEP-CN直接插补技术[10]来计算进刀轨迹，具有高速、高精度和高表面质量的独特优点。虽然现今具有优秀的模芯加工技术，但是设计自由曲面透镜时需要注意到注塑成型和脱模问题。合理选择光学材料能得到良好的注塑成型样品，并且降低成本。目前最常用的光学材料有聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC)。而脱模问题意味着对自由曲面透镜面形的限制，不合理的面形会增加脱模次数从而直接提高生产成本，甚至无法脱模。

目前使用研磨法可以对实际的自由曲面产品进行设计验证检测。研磨法是指将自由曲面透镜切割成合适的尺寸，接着冷埋至混合胶中定位并且凝固成型以增加强度，然后用不同粗细的沙纸进行研磨，直至完整的自由曲面横截面露出后进行抛光处理，消除研磨所残留的细微刮痕，最后用电子显微镜拍摄自由曲面的横截面，并自行描绘自由曲面母线，在同比例条件下与设计曲线进行比较验证。

3 仿真效果

根据以上理论，本文以欧司朗公司的SMT-RGBW四色芯片为光源，光源尺寸大小为2 mm´2 mm，设计了一款厚度为25 mm且出射口径为50 mm的混色透镜。在lighttools中导入光源RAY数据，建立透镜模型并设置合理的菲涅尔损耗属性，然后在透镜前方设置4个接受屏，分别为25 mm处50 mm´50 mm、50 mm处75 mm´75 mm、100 mm处125 mm´125 mm、1 000 mm处800 mm´800 mm，以及一个远场接收器，最后进行光线追迹。在图13中观察光斑真彩图可以发现，在近距离时仅光斑边缘存在混色不均匀，随着距离增加，该透镜混色效果迅速提高。图14是该灯的光强分布，发散角(FWHM)为20°，能量利用率为93%，其损耗在于各个透射面和全反射面的不可避免的菲涅尔损耗、微结构对入射光线的全反射、实际测量生成的光源文件和理论LED模型的差异导致光线在透镜内部反射的损耗，但处于可接受范围之内。

图13 真彩图

图14 强度分布

4 结 论

本文提出了一种准直TIR透镜组合复眼微结构的混色透镜设计方法，并对其特性进行分析。最后根据该理论设计了一款混色透镜，即使在近距离小角度范围内也能有较好的混色效果，且能量利用率达到了93%，满足现代照明要求。如果合理设计准直器和复眼微结构，能更好的解决近距离小角度照明难点，为混色照明问题提供良好解决方案，相信这种设计方法将成为混色照明领域的主要发展趋势。

[1] Cassarly W J. High-brightness LEDs [J]. Optics and Photonics News(S1047-6938)，2008，19(1)：18-23.

[2] Gavin Hesse. 用于智能照明的LED混色技术 [J]. 今日电子，2007，1(9)：84-85.

Gavin Hesse. LED Mixing Technologies Available For Intelligent Lighting [J]. Electronic Products，2007，1(9)：84-85.

[3] 龙兴明，周静. 基于加性混光的色彩可调LED照明设计 [J]. 半导体光电，2007，28(1)：43-46.

LONG Xingming，ZHOU Jing. Development of Adjusted LED Lighting Based on Additive Mixing [J]. Semiconductor Optoelectronics，2007，28(1)：43-46.

[4] 余荣斌，王宝，李丰果. LED光源反射器特征参数对被照面照度的影响 [J]. 照明工程学报，2013，24(6)：66-70.

积极幸福感被视为最佳心理健康过程，是一种积极的情绪状态。它是指人们对生活或锻炼的满意度与愉悦感，是衡量个人心理健康的重要指标。A组为慢跑组，B组为慢跑与音乐结合组。由图1得知，慢跑组运动前后积极幸福感有显著性差异，积极幸福感的量表问题有“我感到伟大”、“我感到积极”、“我感到强壮”和“我感到非常棒”。慢跑的运动量较小，慢跑可以解释为放松跑，众所周知，运动对不仅对人的身体有积极影响，对心理也有积极作用。慢跑结合音乐组运动前后积极幸福感有显著性差异，其原因是，慢跑本身是一种放松运动，在慢跑的时候听音乐，可以缓解心理压力。慢跑组和慢跑结合音乐组相比较，积极幸福感无显著性差异。

YU Rongbin，WANG Bao，LI Fengguo. The Influence of the Parabolic Reflector Characteristic Parameters on the Illuminance of the LED Light [J]. China Illuminating Engineering Journal，2013，24(6)：66-70.

[5] 黄慧，李湘宁，汪宇青. LED复合椭球面聚光器的设计 [J]. 光电工程，2015，42(3)：89-93.

HUANG Hui，LI Xiangning，WANG Yuqing. Design for LED Compound Elliptical Concentrator [J]. Opto-Electronic Engineering，2015，42(3)：89-93.

[6] 刘鹏飞，杨波，陆侃. 紫外曝光机均匀照明系统的设计与研究 [J]. 光学仪器，2012，34(2)：31-36.

LIU Pengfei，YANG Bo，LU Kan. Design and research on the uniform illumination system of UV exposure machine [J]. Optical Instruments，2012，34(2)：31-36.

[7] 刘雁杰，惠彬，李景镇，等. 用于DLP投影系统的自由曲面TIR准直透镜设计 [J]. 红外技术，2015，37(7)：582-587.

LIU Yanjie，HUI Bin，LI Jingzhen，. Design and Simulation of Free-form TIR Collimating Lens Used in DLP Projector System [J]. Infrared Technology，2015，37(7)：582-587.

[8] 蒋水秀，孙翔，冯华君，等. 一种优化LED照明的三维SMS设计方法 [J]. 光电工程，2012，39(6)：91-95.

JIANG Shuixiu，SUN Xiang，FENG Huajun，. Three-dimensional SMS Design to Optimize LED Lighting [J]. Opto-Electronic Engineering，2012，39(6)：91-95.

[9] 肖一胜，张继勇. 复眼透镜陈列在LED透镜设计中的应用研究 [J]. 照明工程学报，2010，21(增)：33-37.

XIAO Yishen，ZHANG Jiyong. Application of Fly-eye Lens Array in Led Lens Design [J]. China Illuminating Engineering Journal，2010，21(Suppl)：33-37.

[10] 钟建琳，李树春，常城. STEP-NC数控系统相关技术研究 [J]. 机械制造与自动化，2014，43(3)：194-196.

ZHONG Jianlin，LI Shuchun，CHANG Cheng. Research on Key Technology of Numerically Controlled System Based on STEP-NC [J]. Machine Building & Automation，2014，43(3)：194-196.

Design of a Lens with Well Color Mixing of Red/Green/Blue LEDs

LI Qiang1，LI Xiangning1,2,3，PAN Yijun1

( 1. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China;2. Shanghai Key Lab of Modern Optical System, Shanghai 200093, China;3. Research Center of Optical Instruments and System Engineering, Ministry of Education, Shanghai 200093, China )

The good color uniformity of multi-colored LED lighting is hard to get, especially in a short distance with a limited spreading angle. In order to address the issue, a design of a lens consisted of a collimator lens and fly-eye lens array is proposed. It achieves good color performance, so it is suitable for intelligent lighting. To find a balance between optical efficiency and color uniformity, the characteristics of the lens were analyzed by the real simulation. In the end, a lens with 20° divergence angle, 93% energy efficiency and good color performance in both short and long distance is shown to prove the feasibility of the design method.

illumination design; nonimaging optics; color

O439；TN31

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.05.010

2015-09-28；

2015-10-26

李强(1990-)，男(汉族)，上海人。硕士研究生，主要研究工作是光学设计与照明设计。E-mail：563007532@qq.com。

导师简介：李湘宁(1956-)，女(汉族)，上海人。教授，主要从事应用光学方向研究。E-mail：lxning@usst.edu.cn。