基于LED光源的投影LOGO灯设计

夏 磊，董文娟，孟 双，吴 禹，左 慧，丁桂林

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

基于LED光源的投影LOGO灯设计

夏 磊，董文娟，孟 双，吴 禹，左 慧，丁桂林

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

根据固体照明LED光源的特点，文中提出了一款基于3.5×3.5 mm朗伯体LED光源的紧凑型投影LOGO灯系统。利用成像设计软件Code V设计一个两片式成像系统，该系统物距为2 900 mm，像距为15 mm，像高为5.792 6 mm。根据光路可逆原理，给该成像系统匹配一个准直度高、均匀度高的光源，在LigtTools软件中设计了一个分级准直透镜组，LED光源经过准直后角度为4.2°，光斑均匀度达到了91.7%。将两个子系统结合在一起，可以在2 900 mm远的接受面投影出菲林的完整清晰的均匀图案，图案直径为1 600 mm。与现有的系统相比，此系统长度短、结构简单、投影图案均匀度高。

照明设计；成像设计；菲林；准直

LED光源作为一种能耗低，寿命长且无污染的小型光源，在照明领域的很多方面得到了广泛应用。近几年，由于LED投影灯能够把任何图案以光的形式成像在任意的不透光的介质上，可以轻易吸引人们的目光。使其在室内烘托气氛，室外广告等领域得到越来越多的应用。为此，很多照明团队都开发推出了自己的投影灯系统。该类系统基本可以分为两部分，即照明部分和成像部分。

投影灯系统基本可以分为照明部分、带有图案的菲林片和成像部分。本文利用光学设计软件LightTools设计照明部分和Code V设计成像部分，将系统导入LightTools进行模拟。本文设计了一款结构简单的投影LOGO灯系统，该系统长度短，对LED光源准直匀光优化好，使得投影面图案照度均匀清晰。

1 成像部分设计

成像部分的设计对于整个系统来说至关重要，不仅要结构紧凑，易于生产，还要成像质量达到要求。因为菲林片的位置是固定的，所以成像部分需要反向设计[1]，将接收面上的图案看做物，菲林图案看做像，菲林图案的半径必须小于像高，这样菲林图案才能被完整的投影出来。本文中将菲林图案的半径设置为5.5 mm，因此成像系统的像高不能小于5.5 mm。本文严格控制CRA(Chief Ray Angle，主光线入射角)的大小，在其接近0°时，照明部分则是需要经过准直的光线，根据光路可逆原理，从像面发出近似平行的光线便可以在物面上投影出来。

该成像系统由两片透镜组成，为减小球差，透镜使用了非球面。本文需要设计一个物距2 900 mm，物高800 mm的成像系统。为此本文建立了一个两片式系统，其中，根据物距和物高算出其最大视场角为15.4°，并设置了不同百分比的视场；此外，将系统波长设置为人眼最敏感的564.1 nm，初始镜头结构如图1所示。

图1 镜头初始结构

从图中可以看出整个系统的光线很杂乱，从0视场到全视场的光线都不能汇聚在像面上，所以这里将两片透镜的曲面数据都设置成变量，并为整个系统设置合适的优化变量[2-3]，从而得到本文需要的结果。

首先，需要约束两片透镜的厚度，本文要求两片透镜的中心厚度均<5 mm，边缘厚度>1 mm；除此之外，成成像系统长度要求约束在35 mm以内；最后对于成像系统的性能，本文有两个要求：第一，系统的畸变要小于1%；第二，系统CRA应<0.3°。根据上述要求，在Code V里写了9条约束[4]。

多次优化后的镜头结构如图2(a)所示，优化后从光阑到像面的距离为34.685 9 mm，符合<35 mm的目标，另外从镜头光线追迹图可以看出光线近乎垂直入射到像面上。而关乎到整个系统质量的MTF曲线，在空间最大频率设置到60 cycles/mm时，其结果如图2(b)所示。

图2 优化结果

综上所述，本文的成像部分长度为34.685 9 mm，物距为2 900 mm，像距为15 mm，最大视场畸变为-0.01，CRA为0.289 5°，像高为5.792 6 mm。并且，从图2(b)中可以看出成像系统的每个视场的传递函数均>0.6，成像质量符合要求。

2 照明部分设计

照明部分也可称为光线准直部分，并且要保证得到准直的光线在被照面上形成的光斑足够均匀，这样才能保证光线经过成像部分投影出来的图案均匀度[5-6]。本文在LightTools软件中，将LED光源通过凸透镜进行准直，其原理如图3所示，在透镜立体角范围内的光线经过透镜，得到了准直。但是LED光源是扩展光源，有一定的大小体积，由于透镜尺寸的限制，LED光源经过准直透镜以后，准直度并不能满足投影灯的照明需求。

图3 准直原理图

为验证上述问题，本文在LightTools软件里建立了一个直径为20 mm厚度为5 mm的凸透镜，透镜材料为透光率为93%的PMMA(Polymethyl Methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)，透镜距离光源为5 mm。本文使用CREE公司型号为XP-E的光源，并在距离光源25 mm处建立一个直径为25 mm的接收面。

对上述系统进行准直和均匀度优化[7-8]。首先，将凸透镜的两个光学面设置为二次曲面，并将二次系数、半径以及透镜的z方向坐标设置为优化变量，优化结果如图4所示。

图4 单透镜优化结果

从图4(a)中可以看出，经过优化后的透镜厚度由刚开始的5 mm变为19.68 mm，对于直径为20 mm的透镜来说，这样的厚度，在生产中很容易出现缩水等质量问题。而且生产周期比较长，生产效率低[9-10]。此外，从图4(b)中可以看出，接受面上的光斑均匀度不够，本文用取点法，在图中直径12 mm以内取25个点的照度值，算出其均匀度为85.3%。图4(c)是接受面上光斑的光强分布曲线，从图中可以看出光斑的半光强角为5°，基本满足投影LOGO灯的照明设计要求。但是，光斑的均匀度越高，光线的角度越小，最终投影出来的图案就越清晰，均匀度也越高。

针对上述问题，使用两片凸透镜，将LED光源进行分级准直。首先，在LightTools里建立一个直径为20 mm的凸透镜，在优化时，将透镜距离光源的距离和透镜的厚度分别设置为变量，厚度约束在12 mm以内，光源发出的光线被第一片凸透镜初步准直，为第二片透镜提供一个相对较小的入射角[11]，最终优化后得到的两片透镜结构如图5所示。

图5 双透镜优化结果

图5中的两片透镜相对图4中的透镜厚度薄了很多，这对于生产效率和品质控制来说，都有大幅提高。而在接受面上的光版图以及准直以后的角度如图6所示。

图6 双透镜准直照度图和光强分布图

这里同样使用取点法，算出双透镜准直后，图6(a)中光斑直径12 mm以内的照度均匀度为91.7%。相比单透镜准直来说，均匀度提高了6.4%。图6(b)中的半光强角为4.2°，比单片透镜准直时的5°提高了0.8°，缩小了16%。这对于小角度照明来说，是较大提高[12-13]。

3 照明部分与成像部分合并

上文已分别完成了照明部分和成像部分的独立设计，当两部分组合在一起时，在像面位置插入一片带有图案的菲林片，整个系统是否能够达到预期效果还需要做进一步验证。这里需要确定的问题有两个：第一，最终系统是否能够投出菲林完整的图案；第二，投影出来的图案是否清晰，锐度高，没有拖影等问题[3]。

将CodeV中设计成像系统的3D导入LightTools中，并设置相应的材料，在3D建模软件SolidWorks中画一个带有镂空几何图案的菲林片，并导入LightTools，将整个菲林3D设置为吸收体[14-15]，这样就只有镂空部分的几何图案可以透光。在软件里设置好3部分的相对位置，整个系统结构如图7所示。

图7 系统结构

该系统从光源位置到成像透镜最后一个面的距离为64.4 mm，结构紧凑，便于生产安装[16-17]。本文分别使用了多种几何图案的菲林片进行模拟，投影面上得到的投影图案如图8所示。

图8 投影图案

从图8中4幅不同的图案可以看出，对于不同形状的图案，系统都可以投出清晰的图案，完全可以满足日常投影LOGO灯的实际应用。

4 结束语

投影灯在日常装饰营造氛围以及广告投射方面得到了广泛应用，但部分产品的系统较长，且均匀度和成像质量不高。本文针对这一系列问题，使用LightTools和CodeV，分别设计匀光准直部分和成像部分，其中照明部分透镜曲面使用了二次曲面，相比球面来说，在透镜厚度限制在12 mm以内的情况下，能够更好地准直光线，并且使用两片透镜分级准直，均匀度提高了6.4%。成像部分的透镜曲面使用了非球面，有效减小了球差，成像质量相比使用球面的透镜有大幅提高。

本文在照明部分和成像部分都控制了透镜的厚度和系统的长度，使得整个系统的镜片易于生产，注塑周期短，有效降低了生产成本。最后得到的整个系统长度为64.4 mm，便于安装携带，可广泛应用于室内装饰以及广告LOGO投射。

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Design of Projection LOGO Lamp Based on LED Light Source

XIA Lei,DONG Wenjuan, MENG Shuang, WU Yu, ZUO Hui, DING Guilin

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

According to the characteristic of LED light source, here presented a compact projection of LOGO lamp based on 3.5×3.5 mm Lambert emission LED light source. Using Code V designed a two-slice imaging system, the object distance is 2900 mm, the image distance is 15 mm, and the image height is 5.7926 mm. According to the reversibility of optical path, To match a light source with small angle and high uniformity for the imaging system, a two-slice collimate system was designed in LightTools. The angle of light is 4.2°after the collimation, and the uniformity reached 91.7%. At last, put the two subsystems into LightTools, the results with a complete and clear uniform-pattern, the diameter of the pattern is 1600mm on the receiving plane, which was 2900 mm away from the entire system. Compared with the current systems, it has the advantages of shorter length, more simple structure and high uniformity.

illumination design;imaging design;film;collimate

2017- 03- 16

江苏省2015年普通高校专业学位研究生创新计划项目(SJZZ15_0129)

夏磊(1993-)，男，硕士研究生。研究方向：光学系统设计方面的研究。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。

TN312

A

1007-7820(2018)01-038-04