基于LED光源可自由转化光斑形状大小的组合透镜

吴 禹，夏 磊，董文娟，吕 柳，丁桂林

(江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江 212013)

近年来，随着LED光源技术的发展成熟，其应用范围也是越来越广，相比于白炽灯、荧光灯，LED照明更加的节能环保，同等光源照度的情况下LED功率要远小于传统的照明灯具，用电量低，效率更是高出传统光源80%，同时也不含有害物质或有毒气体，无辐射，属于典型的绿色光源；使用寿命更长，采取的固态光源，光源热度低，工作电压小，不会因高压而损坏，采用环氧树脂封装，经久耐用[1-2]。而经过LED光源在经过二次配光后能较好地满足道路照明、景观灯、装饰灯等要求[3-4]，通过采用自由曲面设计的透镜能产生不同角度、不同形状的光斑[5]。然而目前的各类透镜都过于单一，设计时就确定了角度和光斑大小。虽然少量的透镜可小范围改变光斑的发散角度，但是可以通过调整光源位置，减少进入透镜的光能来达到目的。本文通过一个全内反射透镜(TIR)和一个凹透镜组合，在提高效率的同时可自由改变光斑形状。

1 组合透镜设计

1.1 初始条件的确立

在光学设计开始确立初始条件，透镜材料选择为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，材料透光率为93%，折射率1.494[6]。LED光源为CREE公司的XP-E类朗伯发光体光源，光源位置处于TIR透镜[7]灯珠孔，发光面垂直光线传播方向[8-9]。

1.2 模型的建立

透镜3D模型建立的基础就是针对透镜中光学表面的设计，一般有偏微分方程和试错法两种[10-11]。偏微分方程是根据Snell定律和能量守恒[12]建立多项式求解反射折射的曲面面型，通过编程计算出离散点的坐标，再导入软件中成型；试错法是在软件中直接建立相应的曲面，再通过模拟光线追迹出结果，根据结果与实际要求的偏差修改曲面[13]。本文采用第二种方法直接在SolidWorks软件中建立模型。先建立常规的TIR模型，TIR为旋转对称体，外径18 mm，整体高度10 mm，发光角度约20°。

图1 TIR结构及光斑图

在TIR透镜出光表面建立微型阵列结构，由图1(b)可以看出，单个TIR透镜出光为圆形光斑，为改变光斑形状需要在表面增加矩形阵列结构以获取矩形光斑[14-15]，矩形阵列通过自由曲面旋转挤压而成；在此建立不同的微型结构可以得到不同形状的初始光斑，如图2所示。

图2 不同微阵列结构形成不同形状的光斑

再建立凹透镜，该凹透镜采取平凹结构，凹面作为接受从TIR结构中出射的光线，平面作为整个光学系统的出光面。外径25 mm，边缘厚度5 mm。凹面同样为自由曲面，面型设计需考虑与条纹相结合，如图3所示，在凹面上加条纹结构与平面不同，不同位置的条纹要充分考虑与曲面曲率契合。

图3 凹透镜结构

2 光学系统仿真模拟测试

将在SolidWorks中建立好的模型结构导入LightTools光学软件中，系统中的光源和TIR位置保持不变，平凹透镜在光轴方向上位置是变化的。图4为平凹透镜某个位置下光学系统示意图。

图4 光学系统示意图

TIR透镜高度为10 mm，发光角度约20°，可以看出平凹透镜初始位置在Z=10处。可调范围需考虑光效和实际装配要求，当平凹透镜位于Z>55时，TIR出射光线会由平凹透镜外侧投射到屏幕上，这样经过平凹透镜的光通量减少，会导致光斑中心变暗。

2.1 当平凹透镜与TIR透镜贴近

平凹透镜位于Z=10处，这样的位置光线从TIR中出射后主要由凹面上的条纹进行整形，对于整个凹面利用集中在中间部分。

图5 平凹透镜位于Z=10处效果图

在Z=10处贴近TIR透镜的位置可以形成小角度的矩形光斑，发散角度约20°×50°，距离1 m屏幕上的光斑宽度约为0.4 m，长度约1 m。矩形光斑的形成的主要依据是TIR透镜中微型阵列结构和凹面条纹的设计，改变阵列结构中矩形的长度和宽度，同时配合条纹结构厚度和曲率，即可改变所成矩形光斑的长宽比。

2.2 平凹透镜位于中间位置

选取平凹透镜位于Z=30处的中间位置，进行光学模拟和实验。此时平凹透镜与TIR直接间隔为20 mm，在这个范围内凹面的面型结构设计起到重要作用。

由图6可以看出，该位置下呈现椭圆形光斑，相同1 m外的接收屏幕上光斑大小为0.6 m×1.1 m，光斑发散角度变大到30°×55°。平凹透镜在光轴方向上不同位置处所产生的光斑大小不同，但都在上述角度附近，椭圆光斑可以简略看成由条纹和凹面相结合形成的。调整凹面的整体厚度和局部曲率，可获得更平滑衰减的边缘光线或截止线更为清晰的光斑类型，这需要符合具体应用。

图6 平凹透镜位于Z=30处的效果图

2.3 平凹透镜位于Z=50的位置

上文计算过，约Z>55时，由于平凹透镜不能完全接收到TIR的出射光，光斑会变的无序化，因此选取Z=50的位置，即平凹透镜与TIR相距40 mm处。

图7 平凹透镜位于Z=50处的效果图

由图7(b)可以看出，此时光斑已经接近圆形，角度约为50°×60°。在这个平凹透镜的基础上扩展外径大小，可以增加极限距离。整套光学系统结构简洁紧凑，整体高度最大为55 mm，最小为15 mm。实现了光斑从矩形到椭圆再到圆形、角度从20°～50°的变化，并且由于光源位置始终保持不变，所以整个光学系统的发光效率在平凹透镜位置发生变化时能保持不变，可达93%以上。考虑透镜生产需要，可以在镜筒中利用卡位固定平凹透镜位置，方便应用。

3 结束语

光学发展会更加追求设计的多样化和丰富化，本文介绍的产品将光斑形状变化与角度变化结合，保证

了光学效率，实现了一个光学系统多用途的目标。同时还有较大的提升空间：组合透镜在更大尺寸的情况下可以获得更大的角度变化余地；改变TIR透镜的阵列结构可以得到不同形状的初始光斑等。

[1] 大谷义彦.LED照明现状与未来展望[J].中国照明电器,2007(6):20-24.

[2] 辛迪.基于LED的自由曲面照明光学系统设计[D].北京:中国科学院大学,2014.

[3] 李林,王光珍,王丽莉,等.实现均匀照明的 LED 系统设计方法[J].光学学报,2012,32(2): 2-9.

[4] 苏宙平,阙立志,朱焯炜,等.用于 LED 光源准直的紧凑型光学系统设计[J].激光与光电子学进展,2012,49(2):3-8.

[5] 周志敏,纪爱华.大功率照明技术设计与应用[M].北京:电子工业出版社,2011.

[6] 闫瑞,肖志松,邓思盛.光学设计的现状与展望[J].照明工程学报,2011,22(2):38-42.

[7] 王未未.基于TIR结构LED准直透镜的设计与实现[J].电子科技,2016,29(1):5-8.

[8] 闰国栋.大功率集成光源的二次光学系统设计方法研究[D].广州:广东工业大学,2013.

[9] 丁毅,郑臻荣,顾培夫.实现二次光学设计的自由曲面透镜[J].光子学报,2009,38(6):1486-1490.

[10] 吴仍茂.自由区面照明设计方法的研究[D].杭州:浙江大学,2013.

[11] 韩敏.大尺寸LED光源准直透镜的设计与应用[D].镇江:江苏大学,2016.

[12] Ben P.The future of illumination design[J].Optics and Photonics News,2007,18(5):20-5.

[13] Ries H,Muschaweck J.Tailored freeform optical surfaces[J].JOSA:A,2002,19(3):590-595.

[14] 闫峰,孙文军,王淑英.LED照明光场照度均匀性的研究[J].光学技术,2007,33(S):327-328.

[15] 刘雁杰,惠彬.基于微透镜阵列生成特定矩形光斑的TIR组合透镜设计与仿真[J].光学仪器,2015,37(6):517-521.