基于棱镜和微透镜的LED混光投射透镜设计

孟 双，索龙凤，董文娟，夏 磊，丁桂林

(1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江212000;2.燕山大学 理学院，河北 秦皇岛 066000)

基于棱镜和微透镜的LED混光投射透镜设计

孟 双1，索龙凤2，董文娟1，夏 磊1，丁桂林1

(1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江212000;2.燕山大学 理学院，河北 秦皇岛 066000)

基于透镜侧面棱镜和前后膜芯添加微透镜设计一款出光角度可变的均匀混光照明透镜。采用棱镜和微透镜结合的新型方法，分别对透镜外侧棱镜和模芯微透镜进行新的设计。对目标角度进行映射关系的计算及推导，得到全反射棱镜的轮廓曲线图，中心内外部分采用折射型的微透镜阵列，通过Solidworks建立透镜模型，然后导入光学仿真软件Lighttools中进行光线追迹。采用12颗30 mm×30 mm贴片式不同色温的LED作为光源，设计了一款高度20 mm，直径52 mm的单颗实用型投射透镜。仿真与实测结果表明：所设计的透镜匹配该阵列光源后，光学效率高于87%，半光强角为40.6°，可以实现均匀混光投射照明。

光学设计；二次配光；混光；均匀照明；Lighttools；Solidworks

某些特定投射灯具需要不同色温的多颗LED通过自由曲面光学元件得到特定角度和均匀混光的光斑光强分布。通过阵列透镜外侧棱镜和中心微透镜，并对其进行特定的二次光源分配就可以有效的解决这个问题[1-2]。本文光学设计的重点在于外侧棱镜设计与微透镜的排布。

关于改变光束角度B.J. Huang等人提出了棱镜控制法，在透镜外侧加上竖排棱镜并设计了两款光学透镜，照明角度分别为64°和15°，设计的光学效率超过75%，存在严重的光学损失[3]。相对于同样是运用棱镜改变出光角度，利用不同的排布法，光效、光斑大小也有所不同。通过改变棱镜的排布，将竖排棱镜变为带有倾斜角度的棱镜环绕排布，光学效率增加了3%～7%[5-6]。随着光斑要求的愈加严格，要实现光斑均匀就要求有新的设计方法出现。用微透镜结构加在透镜的前模芯来设计透镜，采用蜂窝式(微透镜)的小单元光学元件阵列，消除了光斑中的阴影、混光效果达到了80%[4]。

采用单一的微透镜或者棱镜进行设计，方法单一，光效低，有明显的的色温差[7]。在参考了自由曲面的设计原理[8]、棱镜面的全反射原理[3]、蜂窝面的折射原理及混光原理[4]，将参考棱镜法和微透镜法，设计一种综合使用二者的透镜，外侧面由多个多面体棱镜作为全反射部分从上到下逐层排列而成，同一层棱镜的多个多面体等角度排列；前后模芯阵列加入微透镜,并将该方法称之为“棱镜微透混光法”。

1 棱镜微透混光法

图1为棱镜法中的光学透镜线路图[3]。图2为将要设计透镜三维模型，采用两部分成设计：外侧棱镜的设计和微透镜的设计。外侧透镜即利用全反射定律有效地控制边缘光线保证出光的角度，提高光的利用率，微透镜部分采取前后模芯均阵列微透镜，达到二次聚光混光的效果，可以很好地消除色温差，实现均匀混光。图3为设计原理图，图3(a)为棱镜部分设计原理，图3(b)为微透镜部分设计原理。

图1 棱镜法光学路径图

图2 透镜三维模型

图3 设计原理图

1.1 棱镜部分设计

根据全反射定律，在介质内部通过推导计算合理的调整棱镜的倾斜度，即改变光线的入射角可以改变入射光线的方向，到达指定的方向，或者指定的一点，可以实现光线的全反射，防止光线的浪费[9-11]。

图4 全反射的优化路径图

(1)

(2)

代入Ri可得

(3)

由切向量表示式和式(3)可得

(4)

(5)

式(5)整理可得

(6)

代入已知条件，在高度为20 mm，直径为26 mm范围内可得棱镜单个曲线走势，如图5所示。

图5 棱镜单个曲线边界图

1.2 微透镜部分设计

当在透镜的前模芯加入微透镜阵列(蜂窝面)能对原始光再做一次匀光处理[12-14]。对一次封装质量不佳的LEDS或者COB，透镜表面处理技术可以对初始光做再一次的完善处理[13]。在PV照明系统中O.S. Sastry等人就使用阵列微透镜的方法，设计了一款TIR蜂窝透镜，设计角度为15°，使用单一光源[15]。光线通过微透镜的光路原理如图6。光源经过凹透镜1后光线进行了一次发散，然后第一次经过微透镜蜂窝面2进行折射，反光碗能够更大限度的将LED发光源的光线进行折射，使其光源聚光效率提高；经过一次折射的光线经过蜂窝面3透镜，再次进行折射，明显光线有规律的交错，即经过了凹透镜和微透镜，光源进行了很好的聚光和混合，消除了不同色温差，集成效果明显，混光效率提高。

图6 蜂窝结构原理图

图7 微透镜结构形成过程

2 仿真模拟

根据上述理论推导及透镜尺寸要求，通过Solidworks建立模型，侧面用图5中所形成的曲线扫描成面填充形成实体，前、后模芯采用图7(c)的微透镜阵列。将实体结构导入到LightTools软件中，在Z=1 000 mm放置一块接收屏，导入Lumileds公司尺寸为30 mm×30 mm不同色温的12颗LED作为光源，光源间距1 mm，如图8所示。用Lighttools光学软件进行仿真模拟，得到照度均匀度分布图、配光曲线如图9所示。

从图9(a)可以发现，光斑半径大小约为R=400 mm，并且光斑非常均匀，光效为88%，图9(b)为光强配光曲线，图中可以看出半全角为42°，大于50°的光线几乎不存在。

图8 光源的阵列图结构

图9 仿真模拟图

3 产品验证及结论

为验证这种设计方法设计的产品是否可以在实际照明中应用,满足客户对照明的要求，通过模具设计将产品制作，单颗产品外形如图10所示。将透镜匹配光源进行实际测试，在3 m远处的墙面上形成了一个半径为1.2 m的均匀圆形光斑，无光圈及色温差的出现，如图11(a)所示；运用远方光度分布测试仪对样品进行测试，生成测试报告，测试结果角度为40.6°，光学效率达87.5%，如图11(b)所示。该产品测试数据与要求参数相符合，证明该方法及设计可行，该产品已批量生产用于照明。

图10 产品实物图

图11 实际测试图

4 结束语

在学习分析了目前行业内自由曲面透镜的设计、棱镜透镜的设计和混光透镜的原理之后，提出了一种可以实现控制出光角度且可以实现均匀混光的透镜设计方法。通过棱镜微透混光法，分析光线的映射关系，并且通过两步对透镜进行了设计，对棱镜部分进行推导获得棱镜曲线趋势图，对微透镜结构进行试错优化处理，并导入光学模拟软件LightTools中，对其进行光学仿真模拟。运用该设计方法设计了一款光学效率高于87%的透镜产品，可以消除光斑中由多芯片LED造成的方格影子获得色温均匀的光斑，光源成本价格低，且美观大方。

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Design of LED Hybrid Projection Lens Based on Prism and Microlens

MENG Shuang1, SUO Longfeng2,DONG Wenjuan1,XIA Lei1, DING Guilin1

(1. School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212000,China;2. School of Science,Yanshan University,Qinhuangdao 066000, China)

The lens side prism and core films before and after adding micro lens to design a light angle variable uniform light mixing illumination lens. Based on using a new method combining prism and micro lens , prism and lens respectively on the outer core micro lens for new design. The calculation and derivation of the mapping relationship between the target angle, get the contour curve figure the total reflection prism, micro lens array and outside of the center part of the refraction type, the lens model is established by Solidworks, and then import the optical simulation software Lighttools for ray tracing. Using twelve 30 mm*30 mm patches with different color temperature LED as the light source, design a single practical projection lens of height is 20 mm, diameter is 52 mm. Simulation and experimental results show that the designed lens, the light source, the optical efficiency is as high as 87%, half intensity angle is 40.6 degrees, can achieve uniform mixing light projection illuminition.

optical design； second distribution； mixing lightting； uniform ligntting； Lighttools； Solidworks

2017- 03- 17

江苏省2015年度普通高校专业学位研究生创新计划项目(SJZZ15_0129)

孟双(1990-)，女，硕士研究生。研究方向：光学工程光学设计。

TN312

A

1007-7820(2018)01-046-04