LED平面出光透镜设计

程治明，洪芸芸，胡 俊，曾 平，张志海，胡 燕

(1.中节能晶和照明有限公司，江西 南昌 330096；2. 鹰潭市第一中学，江西 鹰潭 335000)



LED平面出光透镜设计

程治明1，洪芸芸1，胡 俊1，曾 平1，张志海1，胡 燕2

(1.中节能晶和照明有限公司，江西 南昌 330096；2. 鹰潭市第一中学，江西 鹰潭 335000)

我们提出平面出光非旋转对称配光透镜的概念并设计出相应的透镜，这是一种新的设计方法。此类透镜可以用于隧道、道路等其他户外照明领域，由于透镜出光面为平面，给户外灯具的后期维护、擦洗带来极大便利，大幅度降低维护成本。透镜主要由内自由曲面、反射杯面及出光平面构成，我们从几何光学角度出发，分析了光线经过自由曲面及平面时的两次折射光路，精确地根据目标照明面的能量分布要求计算出了内折射自由曲面。这是一种全新的透镜，在恶劣环境的户外有极其广阔的应用前景。

LED；透镜；平面出光；几何光学；折射；照明；光学设计

引言

发光二极管(LED)光源是一种新型环保固态光源，具有体积小、光效高、响应时短、寿命长等诸多优点，理想的照明产品[1]。LED直接发出的光呈朗伯型分布，为圆形光斑，中心照度大，照度沿半径方向迅速衰减，这种光斑无法满足多数场景下的照明，尤其是户外照明。在户外照明中，采用LED作为光源时都会对其配光进行二次设计，以往的研究中以矩形光斑为多，通过透镜及反光杯进行二次光学设计，以得到所需要的配光[2-4]。

透镜配光中最为常见的是自由曲面透镜，设计者通过几何光学分析，结合严密的数学推导计算出自由曲面上的数据点，继而构建自由曲面透镜，这种方法要求设计者有一定的数学功底及编程计算能力。得到的透镜表面为自由曲面，LED发出的光经自由曲面折射后可以形成设计者所需要的光型[5-8]。在户外，汽车尾气、灰尘等都会吸附在透镜表面，吸收一部分光能，一方面降低了透镜的出光率，另一方面光能被限制在透镜内转化为热，降低灯具寿命。因此透镜表面必须定期擦拭，保持表面清洁，但透镜表面凹凸不平，擦拭不易，清洁效果也会降低。本文设计的平面出光透镜很好地解决了这个问题，透镜外表面为平面，易于擦拭，提高了清洁的效果及效率，大幅度降低维护成本。在商业照明中常用的射灯等多用TIR透镜进行配光，透镜由内自由曲面、反射杯面及出光面构成，其出光面也为平面，但配光为旋转对称，而且出光角较小，光斑仍为圆形。本文提出一种平面出光透镜的设计方法，为隧道灯及路灯非旋转对称配光提供一种全新的透镜。该新型透镜主要由内自由曲面、反射杯面及出光平面构成，通过几何光学分析，根据目标照明面的光能量分布要求逆向推导出自由曲面及反射杯面，继而构建出透镜，所得配光为非旋转对称配光，光斑形状不再是圆形，而是适用于隧道及道路照明的类椭圆形或类矩形等。平面出光透镜在保证对光线精确控制的前提下，将透镜出光面做成平面，易于后期的表面擦拭清洁。

1 传统透镜的缺陷

LED灯珠发出的光为朗伯型，其光斑为圆形，中心照度大，沿径向迅速衰减，如图1所示。图1为XPG光源模拟结果，接收面距离光源10 m，中心最大照度约为54 lx，距中心2 m处照度降至5 lx以下。

图1 XPG光源配光曲线及照度分布Fig.1 Light distribution curve and illumination distribution of XPG

根据照度与光强的关系可知

(1)

其中r为光源与探测点的距离，I为光源照射至探测点的光强，E为探测点的照度。又知朗伯型光强分布为

Iθ=I0cos(θ)

(2)

其中I0为光源中心轴上光强，Iθ与中心轴成θ角方向上的光强。令光源与照明面的距离为h，则有

(3)

结合式(1)、式(2)、式(3)可得

(4)

图2 照度E与角度θ函数的归一化图形Fig.2 Normalized graphics of function between illumination E with angleθ

由于朗伯型配光照度分布的特性，LED用于照明时需采用反光杯或透镜进行二次光学设计，得到所需要的配光。用于道路及隧道照明时多采用“花生米透镜”配光，运用透镜的折射将光能量按需要分配到不同的角度，可以改变光源的能量分布，改变光斑形状。图3为经透镜配光后的配光曲线及照度分布，与图1截然不同，光斑呈矩形，用于道路及隧道照明可减少路外的光能量，提高能量利用率，避免光污染。

图3 经透镜配光后的配光曲线及照度分布Fig.3 Light distribution curve and illumination distribution by the lens

用于户外照明时，灯具透镜易被汽车尾气及粉尘吸附，吸收一部分光能，一方面使灯具亮度下降，另一方面会导致灯具温度升高，降低灯具寿命，所以灯具须定期清洁。LED户外灯具的透镜表面都是自由曲面，表面光滑但整体不平整，粉尘更易吸附。图4(a)、(b)、(c)分别为设计的透镜模型、新透镜及脏透镜实物，图4(c)中透镜在装上灯具半年后吸附了大量粉尘，与图4(b)对比表面明显暗淡，边角粉尘极多，由于透镜是凸起的，不易擦拭，给清洁带来不便。

图4 设计的透镜模型Fig.4 Lens models designed

2 传统平面出光透镜

为解决透镜吸附尾气及粉尘不易擦拭的问题，平面透镜应运而生，在保证配光的情况下，完美地解决了透镜难以擦拭的问题。

目前的平面出光透镜主要用于商业照明，常用于射灯等加强照明，也可用于户外大功率灯具的定向照明。透镜主要由内自由曲面、反射杯面及出光平面构成。如图5所示，光源位于透镜底部中心位置，光线由光源出射后分两种路径出射：路径1：光源→内自由曲面→出光平面；路径2：光源→拔模面→反射杯面→出光平面。另外会有光线会由路径3(光源→拔模面→出光平面)出射，这部分光线出光不易控制，造成浪费。通过内自由曲面和反射杯面的高度长度等参数调整可将路径3的光线降至最少，甚至完全消除，以提高光利用率。

图5 光路示意图Fig.5 Optical path diagram

平面出光小角度准直透镜较容易计算，只需计算内自由曲面及反射杯面即可，小角度光线经平面折射角度偏转极小。图6(a)、(b)分别为旋转对称平面出光透镜的透镜模型及透镜实体，每个图中上面一块为透镜正面即出光面，下面一块为透镜背面即放光源的位置，每块透镜底部有四个凹孔，排布四颗灯珠。

图6 透镜模型与实体Fig.6 Lens and its models

图7为经平面透镜聚光后的配光曲线及照度分布，可见光束角仅约为10°，光斑极小，能量高度集中。透镜为旋转对称结构，故光斑也为旋转对称，C0与C90平面配光曲线重合，其他各个平面配光曲线也与之重合。

图7 经平面透镜聚光后的配光曲线及照度分布图Fig.7 Light distribution curve and illumination distribution by plane lens

3 新型平面出光透镜

当LED用于道路及隧道照明时需要将朗伯型配光进行二次光学设计，得到类似于图3的配光，为非旋转对称蝙蝠翼配光，常用自由曲面进行配光。现要将透镜出光面设计为平面，可参考图6，将透镜设计为包括内自由曲面、反射杯面、出光平面的结构。该结构中起主要作用的是内自由曲面及反射杯面，分别将光线折射、反射，以达到精确控制光线的目的。由于道路配光要求削弱中心光强同时增强大角度光强，反射杯面无法控制中心光强，而内自由曲面可以，因此非旋转对称平面出光透镜中主要起作用的是内自由曲面。

3.1 大光束角旋转对称透镜

传统平面出光透镜多用于小角度准直，内自由曲面较小，光束角在40°以下的窄配光可以轻易实现，要实现光束角在40°上的配光需要增大内自由曲面，加强对中心光强的管控，因为此时要求将LED中心光强削弱的同时增强大角度光强，内自由曲面对光线的控制显得尤为重要。

图8 光路示意图Fig.8 Optical path diagram

传统自由曲面透镜直接将光源出射光线与目标光强或照度分布联系起来，计算出自由曲面面型，光线只经过一次折射。而图5中路径1的光线经过了两次折射：光源出射的光线先经内自由曲面折射入透镜，在透镜内传播一段距离后再经平面折射出去，如图8所示。先从二维几何光学进行分析，确定两次折射间的关系。

照明面与透镜的距离远超过透镜尺寸的十倍，考查透镜出射光线角度时透镜可作为点处理。假定照明面与透镜的距离为H，则照明面上坐标为(Tx,H)的点对应出射光线与Z轴夹角θt：

(5)

则可得到出射光线在X及Z轴的分向量为

V出_X=sin(θt) ，V出_Z=cos(θt)

(6)

出射面为平面，令透镜的折射率为n，由折射定律很容易求得过渡光线在X及Z轴的分向量：

(7)

过渡光线向量即为入射光线经自由曲面折射的目标向量，入射光线由光源出射，经自由曲面折射，与文献[5]中的自由曲面计算方法一致，不同点在于文献[5]中光线是从光密质进入光疏质，此处光线则是由光疏质进入光密质，计算时只需将折射率作相应调整即可。

设计旋转对称大光束角平面出光透镜，模型如图9所示，透镜底部为自由曲面，底部为平面，整体结构为旋转对称，同样采用XPG光源模拟，得到配光曲线及照明分布如图10所示，与图1对比知经透镜配光后：配光曲线0°～55°光强被削弱，以减小照明面中心照度；55°～70°光强被增强，以增大边缘照度，扩大照明范围；70°～90°光强被削弱，以降低眩光。

图9 透镜模型Fig.9 Lens model

图10 配光曲线及照度分布Fig.10 Light distribution curve and illumination distribution

3.2 非旋转对称平面出光透镜

非旋转对称透镜可以得到用于道路及隧道等不同要求的户外照明配光，设计较旋转对称透镜更为复杂。若不做偏光设计，光斑为轴对称，透镜也为轴对称结构，分为长对称轴和短对称轴，如图4所示。图3中显示C0与C90平面配光曲线有明显的差异，C0平面光束角约为120°，中心光强小，光强随角度增大而增大，光强大约在53°时达到最大后迅速减小；而C90平面光束角仅为70°，并且中心光强最大，光强随角度增大而减小。

可沿两条对称轴分别分析，透镜主要分为内自由曲面、反射杯面及平面出光面，图11(a)、(b)分别为长轴截面及短轴截面光路示意图，可见光线主要分为两种路径出射：光源→内自由曲面→出光平面→出射；光源→拔模面→反射杯面→出光平面→出射。其中拔模面是为使透镜能够顺利脱模而设定与垂直方向有一定夹角的面，将内自由曲面与反射杯面连接。

图11 长、短轴载面光路Fig.11 Optical path of long and short axis section

透镜的设计重点及难点主要在于内自由曲面及反射杯面，前文已说明内自由曲面是此类透镜的主要作用面，先对内自由曲面的设计进行分析。图8为二维空间中入射光线、过渡光线及出射光线的关系，三维空间中可以用相同的方法求出，同样假定照明面与透镜距离为H，照明面上坐标为(Tx,Ty,H)的点对应出射光线与Z轴夹角θT。

(8)

(9)

根据折射定律可知过渡光线在X、Y、Z轴上的分向量为

(10)

式(10)中各轴的分向量即为光线从光源出射经自由曲面折射后的目标向量，根据参考文献[5]中的计算方法可求出自由曲面的数值点，图12为1/2曲面的数据点。由于大部分携带较高能量的光线均经自由曲面折射，仅一小部分携带较小能量的光线由反射杯面反射，所以反射杯面对整体配光的影响极小，其计算方法与自由曲面的方法类似，只要把折射定律中n改为-1即可。反射杯面将内自由曲面控制外的光线折射到目标面，可提高透镜的透光率，在此不再赘述反射杯面的计算。最终构成的透镜如图13所示，出光平面为平面，底面为内自由曲面，边缘为反射杯面，反射杯面与内自由曲面间由一拔模面连接。

图12 内自由曲面数据点Fig.12 Data points of free-form surface

图13 透镜模型Fig.13 Lens model

TracePro模拟得到配光曲线及照度分布如图14所示， C0平面光束角约137°，0°～60°内光强小幅度波动，60°以上光强迅速减小；C90平面光束角约为84°，中心光强最大，0°～40°光强缓慢减小，40°光强迅速减小。经透镜折射后光斑在接收面上呈近似矩形，适用于隧道照明场景，X轴方向照度衰减平缓，利于相邻光斑的互补叠加。

图14 配光曲线及照度分布Fig.14 Light distribution curve and illumination distribution

平面出光透镜经设计可得到旋转对称大角度配光及非旋转对称配光，效果较好，适用于不同的场景，在户外照明中利于表面的擦拭。

4 结论

本文提出平面出光透镜的设计方法，并将其用于户外的隧道灯及路灯透镜的出光面设计为平面，从几何光学角度分析了内自由曲面及出光平面间的光线向量关系，运用MATLAB计算出了曲面数据点，用SOLIDWORKS构建曲面，组成透镜，完成了旋转对称大角度配光平面出光透镜及非旋转对称平面出光透镜，通过TracePro光线追迹验证了该设计方法的可行性。本文设计了利于清洁擦拭的平面出光透镜，为户外等较差环境的灯具清洁提供了便利，同时也间接地延长了灯具寿命，对业内LED透镜的设计及生产具有重要的意义。

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Design of LED Plane Lens

CHENG Zhiming1，HONG Yunyun1，HU Jun1，ZENG ping1，ZHANG Zhihai1，HU Yan2

(1.China Energy Conservation and Environmental Protection Group Latticelighting Co.,Ltd， Nanchang 330096，China；2.Yingtan First Middle school，Yingtan 335000，China)

The concept of non-rotationally symmetric plane lens is first proposed, and the corresponding lens is designed. Such lenses can be used for tunnels, roads and other outdoor lighting areas. Since the out-light surface of the lens is flat, it brings great convenience for the later maintenance and scrubbing of the outdoor lighting. Furthermore, it significantly reduces maintenance costs. The lens is mainly composed of inner free-form surface, reflective cup surface and outgoing light plane. From the perspective of geometrical optics, the two refraction paths of the light passing through the inner free-form surface and the plane are analyzed, and the inner refraction free-form surface is exactly calculated according to the energy distribution requirement of the target illumination surface. This new lens has an extremely broad application prospects in the harsh outdoor environment.

LED； lens；flat out light；geometrical optics；refraction； lighting; optical design

国家863计划——新型低成本硅衬底LED光源模组技术研究(2015AA03A102)

O435.1

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.018