适用于LED阵列光源的新型双层TIR透镜设计

韩 敏，叶正南，施悦强，丁桂林

(1. 江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2. 深圳市鑫希叶光电有限公司，广东 深圳 518000)

适用于LED阵列光源的新型双层TIR透镜设计

韩 敏1，叶正南2，施悦强1，丁桂林1

(1. 江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013；2. 深圳市鑫希叶光电有限公司，广东 深圳 518000)

针对贴片LED阵列光源，文中提出了一种新型双层全内反射透镜结构，并利用LightTools -SolidWorks桥对其进行设计与优化,光斑的芯片成像与黄斑问题得到了解决。透镜最大外径为40 mm，透镜总高为12 mm，实现了照明系统的紧凑小型化，实际的软件模拟和测量结果表明，透镜匹配3×3阵列的贴片3030LED光源后，光学效率高达85%以上，光斑均匀，无明显黄斑现象。此款透镜被用于实际射灯灯具中。

照明设计；LED阵列光源；双层透镜；黄斑问题；芯片成像

集成光源(COB光源)[1-4]在如PAR灯和MR灯中应用广泛，但随着光学透镜设计的水平不断提高和各类贴片LED(SMD)光源价格的一降再降，这两年以组合式和集成式SMD光源(3030、5050、2835等)为主流的LED阵列光源替代了COB光源已经大量应用。自身结构问题使得LED阵列光源的二次光学设计比COB光源更加困难。因此，针对LED阵列光源的二次光学设计进行研究是具有实际的研究意义和社会价值的。

近几年，有一些研究人员对LED芯片阵列光源的特性和二次光学设计进行了研究[5-8]。本文针对LED阵列光源提出了一种新型双层鳞甲透镜结构，并运用试错法设计了一款匹配3×3阵列的SMD 3030光源实际应用的透镜产品，既可达到照明设计要求，又可以保证照明系统的紧凑小型化。本文还利用LightTools对遇到的芯片成像与黄斑问题进行了光斑匀化与褪黄处理。

1 LED阵列光源模型建立

从图1可看出，由于引角和焊锡的原因，相邻SMD 3030之间缝隙至少>0.3 mm，缝隙里没有荧光粉，且大多数SMD 3030中也有两个LED发光芯片，这些使得LED阵列光源的二次光学设计比COB光源更加困难。复杂的光源模型的建立是至关重要的，光源建立准确无误是二次光学设计成功的关键。考虑到焊点直径大小约在0.1 mm，每颗LED相对的两单边预留的焊点位置0.15 mm，如图2所示，X方向，相邻LED的间距是0.3 mm，Y方向是0.1 mm。单颗3030LED的模拟光源文件(ray file)是用积分球测试得到的。

图1 LED阵列光源

图2 3×3LED阵列CAD示意图

2 双层TIR透镜的设计

2.1 双层TIR透镜的初步设计

自由曲面透镜的设计方法主要有试错法、几何解法和微分方程解法[9-12]。鉴于双层结构及光线控制的复杂性，本文选择软件直接实现透镜的优化设计。首先在SolidWorks建立透镜模型，利用LightTools- SolidWorks桥实现在LightTools里光学仿真，SolidWorks里透镜模型的变化可即时显示在LightTools里，比TracePro方便很多，极大程度缩短了设计周期。

本文的设计目标是为选定的3×3阵列光源设计一个光束角为30°、光斑过渡均匀、效率高于85%的透镜。在达到相同角度、照度和光斑均匀度要求的情况下，相比于普通的TIR透镜和反光杯，本文提出一种新型双层TIR(Total Internal Reflection)透镜，类似两个TIR透镜衔接在一起，可有效降低透镜的口径和高度，前出光面设计可为内凹曲线，不仅可对出射光进行调整，还可缩短生产注塑周期，降低产品的成本。材料选用韧性好的PC(聚碳酸酯，Polycarbonate)。

图3 光线追际示意图

如图3所示，K线把光线分为两个部分，K线以上部分光线进入外层反射面，K线以下部分光线分别进入内层反射面和内层折射面。根据斯涅尔(Snell)定律可知，通过控制反射面轮廓线上各个点上的倾斜度来控制光线出射方向。因此，通过对图3中样条曲线上的各个点的调整，可实现对透镜发散角的控制。经过反复的仿真与修正发现，虽角度已达到设计要求，但光斑整体呈方形，光斑不均匀，通过LightTools可看出光斑有明显黄光，如图4所示。

图4 LightTools光学仿真的照度图及真彩图

结果分析：(1)如图1和图2所示，光源类似一个发光面尺寸为9.2 mm×9.6 mm的LED芯片阵列光源，必然会出现着芯片成像问题；(2)白光LED荧光涂层厚度不均匀从而产生具有轻微黄色或蓝色的区域，匹配透镜后，这些黄光或蓝光会被集中到光斑的中间或周围，色温较低的贴片光源出现的黄斑问题的概率高，影响光斑质量[13-15]。

2.2 光斑匀化和褪黄设计

常见的匀光结构是复眼，常用在透镜的透射部分，还有一种文献中少见的匀光结构---鳞甲，常用在透镜的全反射部分。为了解决遇到的芯片成像和黄斑问题，对双层透镜进行以下匀光处理：(1)在出射面的正中间加上了复眼结构，以匀化从入射孔折射到出射面的光线；(2)将每一层外侧面都设计为鳞甲面，以对反射光进行匀化。两种匀化方法组合后，共有5种匀化方式：(a)只加浅凸面鳞甲；(b)只加深凸面鳞甲；(c)只加复眼；(d)浅凸面鳞甲加复眼；(e)深凸面鳞甲加复眼。通过观察LightTools的真色彩仿真图可发现，添加以上五种匀光结构后，光斑的均匀性和黄斑的变化都发生了不同程度的变化，如图5和表1所示。

通过比较图5(a)和图5(b)，发现小鳞甲越凸匀光效果越好，但是黄斑依然清晰可见。而图5(c)中的黄斑明显减弱，但芯片成像问题比较明显。图5(d)和图5(e)中的光斑黄斑已经基本消失，芯片成像问题也明显减弱，图5(e)中的光斑变得更均匀。如表1所示，方式e比d的光学效率低，角度也比设计目标稍大。综合比较，最终确定方式d，最终的透镜结构如图6所示，最终的1 m远照度图和配光曲线如图7所示。

表1 添加不同匀光结构透镜光学参数表

图5 LightTools仿真5种匀光方式的真彩图

图6 双层TIR透镜的最终3D模型

图7 最终1 m远照度图及配光曲线

3 产品测试

经过一系列的模具设计与制作，将设计的透镜制作出来，如图8所示。透镜匹配3×3阵列的SMD3030光源后生成了一个圆形光斑，光线柔和，光斑均匀，无芯片成像和明显黄斑现象，如图9所示，使用远方光度分布测试仪对透镜进行测试，测试角度为28.1°，光学效率达85%。经分析，角度误差的产生来源于模具精雕加工精度和抛光变形。透镜最大外径为40 mm，透镜总高为12 mm，小型而紧凑，满足客户对价格与照明的要求，已批量用于实际的射灯灯具上。

图8 单颗透镜产品外观图

图9 光学测试结果

4 结束语

本研究鉴于LED阵列光源的特殊性和双层透镜结构的复杂性，采用的是试错法设计，利用LightTools-SolidWorks桥设计和优化。透镜最大外径为40 mm，透镜总高只有12 mm，匹配3×3阵列的SMD3030LED光源后，效率高达85%。与普通TIR和反光杯相比，本文提出的新型双层TIR透镜可有效降低透镜的口径和高度。此外，透镜每层全反射面都设计成鳞甲面，出光面中心位置设计成复眼面，光线柔和，光斑均匀，可以有效地克服光斑的芯片成像与黄斑问题。这种双层鳞甲透镜不仅成本低，还实现了照明系统的紧凑小型化，在COB光源或者LED阵列光源的应用方面具有推广价值。

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Research and Design of Novel Double-layer TIR Lens for LED Source Array

HAN Min1，YE Zhengnan2，SHI Yueqiang1，DING Guilin1

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China;2. Shenzhen Xinxiye Photoelectric Co.,Ltd.,Shenzhen 518000, China)

A novel LED double-layer TIR(Total Internal Reflection) lens was proposed for the LED source array. And LightTools-SolidWorks bridge was used to design and optimize．The Die-Imaging and Yellow Hue Phenomena of spot was solved．The maximum diameter of the double-layer lens was 40 mm, height was only12 mm, the double-layer lens has advantage of compact and miniaturization. The simulation and experiment results show that the efficiency of the light system were efficiency up to85% While the lens matched with SMD 3030 LED of 3×3 array. Light is soft and uniform and has no obvious Yellow Hue Phenomena．The lens is used for the actual spotlight.

illumination design; LED source array; double-layer lens; yellow hue phenomena; die-imaging

2016- 04- 25

韩敏(1991-)，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.issn1007-7820.2017.04.032

TN29;TB133

A

1007-7820(2017)04-128-04