一种新型高效率洗墙灯的设计与应用

董文娟，石 琳，夏 磊，孟 双，丁桂林，左 慧

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

一种新型高效率洗墙灯的设计与应用

董文娟，石 琳，夏 磊，孟 双，丁桂林，左 慧

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

基于非成像光学理论，根据固体照明光源LED特性，提出了一种室外景观照明洗墙灯透镜。从现有对称透镜结构出发，利用三维建模软件SolidWorks建立非对称的透镜模型，导入光学仿真软件LightTools中进行仿真分析与蒙特卡罗(Monte Carlo)光线追迹。仿真结果表明，此方法可在距离墙面50 mm处，实现光学效率达95%以上、照射距离达5 m、光束角为24°的均匀光斑。

照明设计；TIR；LED洗墙灯；光能利用率；复眼透镜

LED以其体积小、效率高、色彩丰富、能耗低、寿命长、无污染等特点，广泛应用于LED室外景观照明工程[1]。LED洗墙灯又叫线型LED投光灯、LED线条灯等，洗墙灯发出的光均匀地洗过墙面，不仅用于建筑装饰照明，还用于勾勒大型建筑的轮廓[2]。照射距离短、均匀度低、光能利用率低(效率只有40%～50%)是目前灯具厂所面临的最大困难[3]。

LED的二次光学设计主要分为两种方法：试错法与求解偏微分方程法。其中，试错法原理简单，不需要复杂的编程[4-6]。目前最常用的光学设计软件有LightTools、Tracepro、Zemax、CodeV等，其中LightTools和Tracepro仿真结果与实际更贴近[7]。本文利用LightTools与SolidWorks的链接功能，可以更方便、更快速的实现预期的照明效果。

近年来，一些研究人员对洗墙灯透镜进行了研究[8-10]，目前的洗墙灯结构主要为对称结构，无法满足更多的使用场合。且研究结果表明：用于洗墙灯透镜洗墙高度比较低，效率仅有65%。本文针对贴片3030光源提出了一种非对称的全内反射(Total Internal Reflection，TIR)透镜的设计方案，此款透镜能实现照射距离远、光学效率[11]高、洗墙墙面照度均匀的效果。本文在给出透镜仿真结果的同时，还给出了实际透镜产品的光学测试结果。

1 洗墙灯透镜的设计

1.1 洗墙灯透镜的设计流程

本文采用试错法设计洗墙灯透镜，设计思路如图1所示。

图1 设计流程图

图2 初始的TIR透镜

在二次光学的设计过程中，首先确定使用光源的种类，然后再确定设计的条件和要求。本文的洗墙灯透镜选用透光率为93%，折射率为1.49的聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)材料[12]，最终要实现洗墙照射距离远、光学效率高的均匀光斑；其次要确定设计条件，本文要求每颗LED间隔26 mm，灯条距离墙面50 mm；在明确设计要求和条件后建立洗墙灯透镜的初始模型，在三维建模软件SolidWorks中建立一个最大外径22 mm，总高10.8 mm，带有防水结构的TIR初始模型，如图2所示；对初始模型的软件仿真及分析是本设计最重要的环节，需要对可能出现的光斑分层、黄斑等问题进行分析并提出解决方案，优化过程使用LightTools-SolidWorks桥来实现[13]；最后一个环节是对产品进行实测验证，包括对光斑效果、光学效率以及光束角等的验证。

1.2 透镜的优化

在光学仿真软件LightTools中导入贴片3030光源(日亚公司)进行仿真，在灯条正前方50 mm处放置接收屏，该接收屏的面积为1 000 mm×4 000 mm。图3是对单颗透镜初始模型仿真的真彩色光栅图，发现光斑不均匀，光斑边缘明显偏黄且有分层，这也是对称的TIR透镜结构常见的问题。产生黄斑是由于LED荧光粉涂层厚度不均匀，当光线经过荧光粉会产生黄斑。为解决上述问题，这里采用非对称的TIR透镜结构设计来处理。

图3 初始模型真彩色光栅图

对于这种小尺寸的洗墙灯透镜，设计师通常会选择在灯杯口晒纹将光打散以达到光斑均匀的效果，但这种做法会降低光学效率。为了不降低光学效率且能实现均匀照明的目的，本设计采用以下方法进行匀光和去黄斑处理：(a)灯杯口加栅格纹；(b)杯身加螺旋纹；(c)灯杯口加栅格纹，杯身加螺旋纹。添加匀光结构后，通过LightTools- SolidWorks桥进行仿真，发现3种不同方式的洗墙效果及光学效率都有发生变化，具体效果如表1所示。

表1 添加不同结构透镜的洗墙效果

对比表1中(a)和(b)，不同匀光结构仿真的光学效率、光斑，发现光学效率都在98%以上，表明这两种结构对透镜的光学效率都没有影响。(a)结构的光斑有明显的分层，黄斑不明显，说明灯杯口的栅格纹结构使得光线经过透镜的入光口发生偏折达到去黄斑的目的。(b)结构的光斑有明显的黄斑，分层不明显，说明杯身的螺旋纹具有匀光的作用。

综合考虑(c)方案洗墙效果比较好。但不足的是光束中心区域照度太高，影响了洗墙的均匀度。将入光孔侧壁设置为吸收体以便观察并对其进行优化，蒙特卡罗(Monte Carlo)光线追迹[14]的结果如图4所示。分析原因：这部分直接从入光孔出射的光线与透镜自由曲面反射的光线在接受屏的中心区域进行了叠加，使得光束中心区域偏亮。

图4 吸收入光孔侧壁光线追迹图

为解决光斑中心区域不均匀，本文对透镜出光面中心区域做如下处理：在靠近墙面一侧加条纹，远离墙面一侧加复眼结构。条纹面是由半非球面柱阵列得到，通过调节柱面上的自由曲面来改变角度，改变了光线原来的方向，避免了光线集中出射到接受屏的中心区域。复眼结构是由一系列完全相同的微透镜拼合而成，复眼透镜对入射光束进行细分，每个小透镜的内部光能分布均匀性都优于原入射的宽光束，避免了光斑分层的现象[15]。图5(a)为单颗透镜最终真彩色光栅图。

图5 洗墙灯透镜的显示效果图

图5(b)为首次试样洗墙效果图，靠近灯具底部的光斑不均匀，并出现明显的暗区。从LED光源方面分析原因：由于相邻LED间距比较大，出光点比较低；从透镜设计方面分析原因：靠近墙面一侧的角度偏小，洗墙时相邻透镜的光线没有在灯条底部相交，从而形成暗区。为避免上述情况的出现，一般灯具厂会采取缩小LED光源间距的方法，此做法虽然解决了灯条底部出现暗区的现象，但需要更多的透镜和LED光源，大幅增加了灯具的生产成本。

为了同时兼顾洗墙灯照射距离远以及高均匀度，本设计采用在透镜出光面靠近墙面一侧加复眼结构，另一侧镜面的非对称结构。本设计在防水圈底部设有插销柱，以便于定位与测试。图6(a)为洗墙灯透镜的最终产品模型结构图。

2 产品测试

经过CNC加工、车床加工、铜公等一系列的模具设计、加工与注塑成型等环节，将此款透镜制作出来，如图6(b)所示。透镜匹配贴片3030光源的灯条，在距离墙面50 mm处，最终洗墙效果光斑图如图7(a)所示，无明显黄斑、无明显分层。使用型号为TES 1332A照度计(台湾泰仕制造)对2 m内的洗墙范围照度值进行测量，靠近灯条处的照度最高，距离越远照度越低，但整个洗墙墙面照度均匀分布，避免洗墙墙面的近灯处与远灯处呈锐衰减分布。有效光照高达5 m，宽度为1.5 m，照射均匀度可达到0.36以上。

图6 本文设计洗墙灯透镜的结构图和实物图

用远方公司生产的测试仪器GO-2000卧式分布光度计进行光源和灯具的配光性能测试(又称配光曲线测试)，生成的光学报告显示，光学效率96.1%，光束角为 23°，如图7(b)所示。实测光束角与仿真结果基本吻合，说明模具的加工精度和抛光变形误差对该结构的透镜影响不大。

图7 最终试样洗墙效果图

3 结束语

如何在减少LED光源和透镜数量的前提下，实现均匀照明是未来洗墙灯透镜的研究方向。本文基于试错法以及LightTools-SolidWorks桥优化法，设计了非对称的洗墙灯透镜，其出光面为半复眼半镜面结构，中心区域为半复眼半条纹结构。实测结果表明：透镜匹配贴片3030 LED光源，光学效率高达96.1%，光束角为23°。此款透镜尺寸较小，模具加工容易，注塑周期短，有效降低了生产成本。非对称的洗墙灯透镜，结构新颖，有效解决了光斑分层以及黄斑问题，实现了远距离、高效率的均匀照明，可广泛应用于LED洗墙灯和广告灯箱等照明领域，具有一定的实用价值。

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[15] 陈俄振.大尺寸LED光源均匀照明系统的光学设计[D].厦门:华侨大学,2013.

Design and Application of a New Type of High Efficiency Wash Wall Light

DONG Wenjuan，SHI Lin,XIA Lei，MENG Shuang，DING Guilin，ZUO Hui

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212000,China)

According to the non-imaging optical theories and the characteristics of the solid-state lighting source--Light Emitting Diode,here we presented a new type of wash wall light lens used in outdoor landscape lighting. Based on the symmetrical lens structure,the asymmetrical lens model was built by using 3D design software SolidWorks,which was import to lighting simulation software LightTools to simulate and conduct Monte Carlo ray tracing. Combining with the method above,the results with 95 percent optical efficiency,5 m radiation distance,and ± 24 degree optical beam angle with uniform light spot were achieved eventually,where the asymmetric lens was detected away from the wall with 50 mm distance.

lighting design; total internal reflection; LED wash wall light; solar energy utilization; fly’s-eye lens

TN312+.8;TB138

A

1007-7820(2017)11-031-04

2017- 01- 06

江苏省2015年度普通高校专业学位研究生创新计划(SJZZ15_0129)

董文娟(1989-)，女，硕士研究生。研究方向：光学系统设计。丁桂林(1957-)，男，博士，教授。研究方向：光学系统设计和激光传输与控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.009