基于LED扩展光源组合透镜的设计方法

陈俄振 王柯乔



基于LED扩展光源组合透镜的设计方法

陈俄振1王柯乔2

1. 广州市浩洋电子股份有限公司，广东 广州 511450 2. 深圳市金溢科技股份有限公司，广东 广州 510663

针对实现不同配光的LED光学设计问题，基于扩展光源，构建组合透镜照明系统，实现多种配光。首先根据snell折射定律计算出一级初始透镜模型，并利用贝塞尔算法结合最小阻尼二乘法优化初始模型，实现光线经一级透镜准直出射。以一级出射的准直光作为二级透镜的入射光源，精确计算出二级透镜的微结构模型。通过改变微结构上的不同切平面的法向斜率，最终实现不同角度的配光曲线和光斑，利用光学软件对所设计模型进行验证，仿真结果证明了该设计方法的可行性。

光学设计；组合镜头；贝塞尔算法；微结构；LED扩展光源

引言

发光二极管（LED）以其固有优势成为第四代新光源后，越来越多地应用在照明领域[1]。但是发光二极管仅简单地将LED用于实际场所，往往很难达到要求。封装后的LED器件一般为朗伯分布配光，需要进行二次光学设计[2-3]，从而充分利用光能量，不造成光能量的浪费，并且达到现场视觉上的效果。在实际应用中，设计师往往需要多种不同配光的灯具以达到不同照明效果。一般地，一个透镜对应一种配光曲线，需要安装多种不同的灯具满足不同的场所。本文基于LED扩展光源设计两级光学透镜实现多种配光的LED照明系统，系统简易，仅更换第二级镜片就可以实现要求的配光，方便用户安装更换，节约成本，具有一定的参考价值。

LED透镜设计算法有很多，基于点光源的算法包括剪裁法[4-11]、能量映射法[12-16]等。这些方法在LED扩展光源上不再适用，而需要在此基础上再进行反馈优化或者多参数优化。本文利用贝塞尔算法结合最小阻尼二乘法，优化LED扩展光的准直透镜，利用准直光线计算二级透镜的微结构，最终使光线经过二级透镜后实现不同配光和光斑。

1 LED扩展光源实现多种配光理论原理

为实现多种光斑效果，需要LED光源经一级透镜后，呈现准直光线，准直透镜再经过光学薄片，从而实现不同光斑。LED封装后的配光为朗伯分布，利用贝塞尔算法优化出一级透镜模型，根据一级透镜的出光光线，计算二级透镜的微结构。具体的设计流程如图1所示。

图1 光学系统设计原理图

1.1 准直透镜的设计方法

snell定律的矢量形式为：

图2 准直透镜截面曲线光线示意图

1.2 三阶贝塞尔优化原理

为了得到LED扩展光源的准直透镜模型，需要利用三阶贝塞尔算法优化初始模型。

贝塞尔曲线函数方程为：

贝塞尔曲线对应的多边形的边矢量表达式为：

以上参数为优化变量，采用阻尼最小二乘法优化算法进行优化[19]。为了评价优化变量取值的优劣，以各个采样角度的实际光强和期望光强的方差构建的评价函数为：

1.3 二级透镜微结构设计原理

LED光线经一级透镜后，沿光轴水平出射或者近似水平。以水平光线作为二级透镜的入射光线，二级透镜是一块薄板，需要在薄板上面设计微结构，取其中的一个单位进行分析，如图4所示。

图4 （a）光线入射微结构截面示意图；（b）光线在一个单位的微结构折射示意图

光线在微结构表面发生折射，根据折射公式

2 多种配光的设计实例

利用上述的计算方法，设计一套由两级透镜组成的照明系统。一级透镜的材质选用PMMA，其折射率为1.494，透镜直径45 mm。LED扩展光源采用大功率COB光源，发光面积直径设置为5 mm，该光源不能视为点光源。在贝塞尔优化过程中，采用LED近场光线文件进行优化。二级透镜的材质选用PC，其折射率为1.591，在距离光源前面1 m处设置一面1m×1m的虚拟面作为光斑的接收面。为了实现不同光斑和配光曲线，设计几种法线斜率的微结构。

将仿真结果绘制成表，如表1所示。

表1 出光角度随微结构表面法线斜率变化

法线斜率θI计算偏移角度θO模拟10%最大光强角度 0°0°0° 20°12.9°22° 30°22.6°40° 38.9°51.1°80°

3 结论

本文提出基于LED扩展光源组合透镜实现多种配光的设计方法。该系统由两级透镜组成：第一级透镜根据Snell折射定律利用逐次逼近法计算出初始模型，通过贝塞尔算法和最小阻尼二乘法优化初始模型，从而得出近似准直的光线，实现LED扩展光源的准直透镜。第二级透镜以前一级透镜的出射光为入射光，分析并计算出二级透镜的不同微结构法线斜率对出光的影响。本文用该计算方法设计多种二级透镜微结构并导入软件进行蒙特卡罗光线追击，仿真的结果验证了设计方法的可行性，可见该设计方法对实现不同配光曲线和光斑具有一定的指导意义。

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The Design Method of A Combined Lens Based on LEDExtended Sources

Chen Ezhen1Wang Keqiao2

1. Guangzhou Golden Sea Electronic Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 511450 2. Shenzhen Genvict Technologies Co., Ltd., Guangdong Guangzhou 510663

Focusing on the issues of LED optical designing different distribution curve, the paper proposes a design algorithm of a combined lens, which constructs a illumination system based on LED extended sources to achieve various kinds of distribution. Firstly, the first order original lens is calculated according to the Snell’s law of refraction, and then uses Bezier algorithm to optimize it by combining Levenberg-Marquardt method to achieve the beam collimation. Based on suing the light of the first order lens as the incident light of the second order lens, the surface microstructure model of the second order lens is accurately calculated. By changing the normal slope of the different cutting planes on the micro structure, the light distribution of different angles and the spot are finally realized. the design models are simulated by optical simulation software, the simulation result proves this design method to be feasibility.

Optical design; combined lens; Bezier algorithm; micro structure; LED extended sources

TM923.34

A

通信作者为陈俄振（1986—），男，硕士，工程师，主要从事半导体发光器件及光学设计的研究。E-mail：271707735@ qq.com。