LED二次光学设计的研究现状与展望

张曼

摘   要：随着照明设计要求的不断提高，传统的球面光学元件已经不能满足现代照明的需要了。文章从几种常用的设计方法和设计流程出发对二次光学设计未来的发展进行了阐述。自由曲面光学元件由于控光性能好，已经成为必然的研究趋势。利用几何光学和光学扩展量、能量守恒定律求解自由曲面的偏微分方程，并利用SolidWorks，Matlab和TracePro进行数值计算、离散点拟合和光学仿真，是目前最有效的方法。

关键词：发光二极管;非成像光学;二次光学设计

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）相对于传统照明光源具有节能环保、使用寿命长、响应时间短、显色性好等优点，在近年来，已被广泛用于室内照明、景观照明、背光与显示、投影等方面。

LED照明系统在设计时，由于其发光呈朗伯型，所以需要对LED的光线进行重新分配，从而可以提高光源的出光效率和照明系统的效率。从LED器件的封装到产品，一般要进行一次和二次光学设计。一次光学设计是为了提高芯片的出光效率，而二次光学设计是为了保证照明产品发出的光能满足设计需要[1]。

1    二次光学设计

传统灯具为了实现目标面的照度均匀，通常是基于成像光学理论进行设计，比如复眼系统或方棒系统。但是LED的光学设计属于非成像光学理论，是一种新型照明系统，这类系统跟传统的成像光学理论设计最大的区别就是，可以提高光源的出光效率并將光线加以分配，实现不同形状的照度分布。

1.1  二次光学设计的应用

一次光学设计的目的是在封装过程中，将LED芯片发出的光尽可能多地取出。二次光学设计是要保证整个光学系统的出光质量，尽可能多地将光线按照需要集中到某个照明区域中，又被称为配光设计[2]。

首先，二次光学设计用于室内照明灯具的设计中，比如准直透镜，不仅可以将入射的非平行光调整为平行光，而且还可以对出射光的均匀性进行准直[3]。其次，可用于远距离照明设计，比如探照灯、汽车灯，由于光学设计之前的光源发散角比较大，很难实现有效照明，光源效率低，通过反光杯和透镜的二次光学作用，对出射光进行会聚，可以使光能重新分配和提高光能利用率。再次，用于LED背光源的设计，为了提高画质、色域、对比度等视觉感，要求LED背光模组的光斑辐射方位大，光斑照度均匀性要好，所以近年来，对背光模组所用的背光透镜设计也从最开始的折射式发展到了反射式，又到了迷你背光透镜。最后，可以用在数字光处理（Digital Micromirror Device，DMD）技术中，由于DLP技术中最重要的元件是数字微透镜（Digital Light Processing，DLP）装置模块[4]。通过对DLP的投影系统中LED光源进行二次光学设计，可以对光束通过透镜后的发散角、投影光斑的光照均匀性进行控制，得到较好的光照均匀性。

1.2  二次光学设计方式

二次光学设计方式主要是通过透镜或反射器对LED的出光进行反射、折射型或者折反射[5]。其中，反射型是通过反射器将光线的光路进行调整，改变出光角度和出光均匀度，可以分为正向反射型和反向反射型，一般用于半光强角大于80°的照明灯具上，比如筒灯，原理如图1所示。折射型是通过透镜的折射作用改变光线的出射角，使其按照预定方向进行传播，在目标面上得到特定的照明面积和照度分布，比如TIR透镜、蜂窝面透镜等，一般用于半光强角小于60°的灯具上，比如射灯、天花灯等，原理如图2所示。折反射型是通过透镜在正前方投射聚光，反射器将侧面光线收集反射出去，共同作用改变LED光源的出光，使其出光变为特殊分布的光线，一般用于要求出光均匀、形状特殊的场合，比如LED路灯，原理如图3所示。

1.3  二次光学设计方法

二次光学设计方法主要包括经验法、自由曲面设计法。其中，经验法是设计者根据自己的经验利用光学设计软件对透镜、反光杯、遮光板进行设计，根据光线追迹结果修改模型。自由曲面设计法是建立在非成像光学的基础上的，自由曲面不能用单一的函数来表达，只能通过一系列的离散点进行模型建立，并生产出来。设计出来的光源的光学利用率更高，配光更合理，但是设计过程非常复杂。设计方法主要包括微分法、SMS法、网格划分法。微分法是根据snell定律建立等量矢量关系，并求解非线性微分方程，然后利用Matlab求解自由曲面上的离散点，并最终确立构造模型的方法。SMS法主要是根据边缘光线理论和能量守恒定律，确定光照能量中输入和输出的两束光波的能量对应关系后计算自由曲面透镜。网格划分法是利用边缘光线扩展微分法和能量守恒定律求解自由曲面光学元件的模型[6]。

2    二次光学设计流程

2.1  光学设计软件介绍

Matlab是数据分析和数值计算的专业数学软件，在配光设计中，通过该软件进行数值计算，求出反射器或透镜的一系列离散点。

SolidWorks是三维模型绘图软件。在光学设计中，可以用来进行离散点拟合，通过离散点描绘的曲线得到透镜或反射器的模型。

Tracepro或Lighttools光学设计软件：得到透镜或反射器的模型后，导入光学设计软件进行光学仿真，可以得到目标面上的光斑和照度分布情况。

2.2  二次光学设计步骤

（1）确定照明要求：根据照明场所和照明效果确定设计要求与目标。

（2）理论计算：根据光源的光线空间分布和目标面的照明区域建立对应关系，进行理论计算，确定照明设计方案。

（3）仿真模拟：将理论计算结果导入Matlab软件中得到光学元件表面上的离散点，根据离散点在SolidWorks中进行拟合，最终得到光学元件的实体模型。将得到的实体模型导入TracePro或Lighttools中，设置光源、透镜或反射器的材料属性，对经过模型后的出光进行光线追迹，得到照度和光强分布图。

（4）反馈优化：对得到的仿真结果进行分析，将模拟结果与设计要求进行对比，并反复优化设计方案，最终确定最优设计方案。

3    结语

采用计算机仿真与实验相结合的方法与传统实验设计方法相比，不仅可以提高设计的准确性，还可以节省时间、成本，增加社会效益。LED的二次光学设计属于非成像系统设计，不仅可以提高LED的出光效率，还可以对LED的光强在空间中进行合理分配。目前，自由曲面的光学元件由于控光精确、解决像差问题等优点，已经广泛用于LED产品中。但是在理论上，连续的自由曲面光学元件控光性能最好，但是制作难度和成本比较高，难以实现广泛使用。目前，通过自由曲面光学元件的设计获得均匀照度分布的研究较多，但是在控制出光角度和LED阵列方面的研究较少。在未来，随着光学设计的方法越来越多、越来越准确，LED产品的出光效率和照度分布会越来越好，一定可以完全替代传统灯具。

[參考文献]

[1]闫瑞，肖志松，邓思盛，等.LED光学设计的现状与展望[J].照明工程学报，2011（2）：38-42.

[2]罗毅，张贤鹏，王霖，等.半导体照明中的非成像光学及其应用[J].中国激光，2008（7）：963-971.

[3]重庆绿色智能技术研究院.用于紫外LED准直的透镜：中国，CN201210552914X[P].2013-06-19.

[4]张慧博.基于嵌入式系统下DLP技术的研究与实现[D].北京：北京邮电大学，2014.

[5]万运佳.LED光源二次配光的新型自由曲面透镜设计[D].武汉：湖北大学，2019.

[6]刘国强.基于自由曲面的LED光源二次光学设计研究[D].西安：西安理工大学，2017.

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Progress and prospect of LED secondary optical design

Zhang Man

（Yangzhou Institute of Technology，Yangzhou 225009， China）

Abstract：Now the  traditional spherical optics can  not meet the requirements of modern illumination due to increasingly high demand for illumination design. This paper sets forth the future development of secondary optical design based on several common design methods and process. An obvious  tread is research the freeform lens which has excellent ability on light control. The most effective research method is calculation， fitting scatter points， simulation with solidworks Matlab and TracePro after solve a partial differential equation by geometrical optics ， optical expansion and conservation of energy.

Key words：light emitting diode; non-imaging optics; secondary optical design