扩展光源阅读灯的配光设计

姚海兵 康学亮 刘启隆

【摘 要】介绍了一种扩展光源自由曲面阅读灯的配光设计，并运用该方法设计了一款基于折射率预补偿方法的扩展光源配光透镜。匹配光源为Cree 公司的XHP50.2型，有效发光面为5mm*5mm。经过模拟软件追迹仿真，得到有效照明区域平均照度值为850lx，照度均匀性为95.8%。将所设计的配光透镜进行实际加工，经过测试，其照度均匀性高达96.1%，实验结果与仿真结果基本相符。

【关键词】扩展光源;均匀照明;阅读灯

中图分类号： TN312.8 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）11-0029-002

【Abstract】This paper introduces the light distribution design of an extended light source free-form reading lamp， and USES this method to design an extended light source light distribution lens based on the refractive index pre-compensation method.The matching light source is XHP50.2 of Cree company，and the effective luminous surface is 5mm*5mm.After the simulation software tracking simulation，the average illumination value of the effective lighting area is 450lx，and the illumination uniformity is 95.8%.The illumination uniformity of the designed light distribution lens is up to 96.1% after practical processing，and the experimental results are basically consistent with the simulation results.

【Key words】Extended source;Uniform lighting;Reading light

0 引言

发光二极管（Light-emitting diode，LED）作为一种半导体光源，具有节能环保、响应速度快、安全性高以及长寿命等优点，被广泛应用于不同照明领域。但在绝大多数场合，LED灯珠直接辐射所形成的照度分布并不能满足使用需求，为此需要对LED的空间光强分布进行重新分配，即LED二次光学设计[1-5]。

开展对大尺寸LED光源进行二次配光设计的研究具有科研价值和实际意义。自由曲面面对扩展光源的匀光照明也是当前LED二次配光设计的研究热点。目前，针对扩展光源自由曲面实现均匀配光的有效方法主要分为三种，同步多曲面（SMS）法、以点光源设计为基础引入反馈优化法和点光源近似设计法。同步多曲面法（SMS）法是一种基于面光源，运用非成像光学理论对透镜的多个曲面同时设计计算，最先用于太阳能集光器的设计，并于2004年由Benitez提出三维光学器件的设计[3]。其主要思想是依据波前的概念构建光源发光特性和目标面照明的两组波前之间的光程关系，依据光程关系求解出自由曲面面型离散数据点。该方法对扩展光源的边缘光线可以实现有效约束，而对于照明区域内部光线的调控却不足。上海大学的吴仍茂等人采用该方法于2009年对大功率LED出射光实现定向控制的投射器，其光学效率达到91%以上[4];在缩小光学尺寸方面，先使用复合抛物面（CPC）法将扩展光源的发散角控制在某一较小范围内，然后采用（SMS）法进行配光设计。针对扩展光源的自由曲面二次配光设计，研究人员提出一系列新的设计方法。在点光源二次光学设计的基础上加入反馈优化，最终实现扩展光源的匀光照明。康学亮等人提出的折射率预补偿方法[5]，该方法的提出对于扩展光源匀光照明二次光学设计问题得到完美解决。

本文基于折射率预补偿方法，提出一款针对扩展光源阅读灯的配光设计实例。本章将以Cree公司XHP50.2型LED集成光源进行阅读灯的配光设计，最后得到一款可在直径为360mm，有效照明区域平均照度达到850.38lx，均匀度达到95.4%的LED阅读灯配光透镜，并根据设计结果加工了相应的配光元件，进行实测，实测结果与仿真结果基本相符。

1 LED阅读灯配光设计

依据点光源自由曲面匀光照明设计方法，对扩展光源阅读灯配光透镜进行结构设计。设计参数为：光源距透镜前表面距离a=6mm;配光元件中心厚度b=6mm;设计照明距离c=300mm;照明半径R=175mm;配光透鏡收集LED±60°以内的光线，角度离散间隔0.25°。根据折射率预补偿原理，在设计配光元件中将设计折射率ndesign调整为其他的参数值，对点光源进行二次光学设计，得到设计折射率补偿之后的自由曲面透镜离散数据点。

将自由曲面透镜前后的坐标数据点导入光学仿真软件TracePro进行实体建模，得到3D实体模型，如图1所示。从中可以得出，透镜纵向高度6mm，通光口径26.2mm，边缘厚度约为3.2mm。

在软件仿真初始阶段，需建立阅读灯配光系统模拟仿真环境。设置自由曲面配光透镜材料属性为PMMA，设置波长λ=550nm，对应的模拟折射率为1.493;在原点处建立一半径与真实光源相同的圆形表面光源（即扩展光源），光强分布符合本章第二节所述的配光曲线，并且光源出射光通量为180lm（参照实际输出光通量）;在z=300mm处设置一目标面，用以接受照度分布。设置属性Perfect Absorber;设置追迹光线数目100万条，对配光元件照明效果进行仿真。

的透镜照明模拟效果

图2为通过折射率预补偿（ndesign=1.430）的光学系统在目标面上所形成的照度分布情况。从中我们可以看出目标面上的照度均匀性很高。有效照明半径约为138.62mm;有效照明区域的平均照度为850.38lx，根據ANSI均匀度测量法测得光照度均匀性为95.8%。

2 实验结果及分析

为了验证设计透镜是否可在阅读灯照明系统中满足实际照明要求，本文所述的配光元件样品均委托深圳一家专业的快速成型光学手板公司代为加工，采用光学级PMMA作为透镜加工模具材料，实际加工透镜具体参数与仿真设计所述。

仔细调节实验装置以后，点亮LED，得到的照度分布实验结果如图3所示。以九点测量照度均匀性的实验方法经照度计测量之后。经测验，其照度均匀性高达96.1%，实验结果与仿真结果基本相同，并符合实际照明要求。

3 小结

本文以LED阅读灯光学系统设计为实例，采用CREE公司的XHP50.2作为实际光源，其有效发光面积为5mm×5mm，依据折射率预补偿方法设计的配光透镜，在固定目标面实现有效照明半径为138.62mm，有效照明区域平均照度为850.38lx，光斑均匀性达95.4%的良好照明效果。

【参考文献】

[1]曹永健，董建宇，杨雨龙，等.不间断供电的LED路灯智能控制与管理系统[J].照明工程学报，2019（02）：67-70.

[2]康学亮，姚海兵，刘启隆，等.LED配光透镜吸收损耗的建模与计算[J].江苏科技信息，2018，35（35）：31-34.

[3]Mi？觡ano J C，Benítez P，Lin W，et al.An application of the SMS method for imaging designs[J].Optics Express，2009，17（26）： 24036-24044.

[4]吴仍茂，屠大维，黄志华.一种实现大功率LED均匀照明的投射器设计[J].应用光学，2009，30（03）：372-376.

[5]康学亮，姚海兵，刘启隆，等.基于折射率预补偿方法的扩展光源匀光照明二次光学设计[J].激光与光电子学进展，2019，56（15）：152202.

※基金项目：国家自然科学基金项目（11564001）;北方民族大学研究生创新项目（YCX18072）。

作者简介：姚海兵（1991—），男，山西人，硕士研究生，研究方向：LED二次光学设计。