扩展光源远场照明配光设计的研究

姚海兵 刘启隆 康自贵

摘  要：本文介绍了一种扩展光源自由曲面准直照明配光透镜的设计。基于点光源自由曲面准直照明方法设计了一款用于扩展光源准直照明配光透镜。匹配光源为Cree公司的XHP50.2型，有效发光面为5mm×5mm。经过模拟软件追迹仿真，最终得到在5m范围内光束发散半角为±2.31°的准直照明光束。在减小扩展光源准直照明的光束发散半角，具有非常明显的效果。

关键词：光学设计;扩展光源;自由曲面;准直照明

中图分类号：O439;TM923.34      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）12-0031-03

Abstract：This paper introduces the design of a kind of collimating lens for extended light source. A light distribution lens for extended light source collimating illumination is designed based on free-form surface collimating illumination method of point light source. The matching light source is XHP50.2 of Cree company，and the effective luminous surface is 5mm×5mm. After tracing simulation software simulation，finally get half Angle of beam divergence is within the range of 5m and ±2.31°collimating light beam. It is very effective to reduce the half angle of beam divergence of collimated illumination.

Keywords：optical design;extended source;free-form surface;collimating lighting

0  引  言

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种能够将电能转化为光辐射的固态半导体光源。作为目前全球最受瞩目的新一代光源，因其能效高、绿色环保、安全性能高等优点，被认为是本世纪最有发展前景的绿色照明光源。随着社会的不断进步和技术的迅猛发展，人们越来越关注我们赖以生存的环境，世界上大多数国家也充分认识到环境对经济社会发展的重要性，各国都在采取积极措施来改善环境，减少污染。而半导体固态照明光源作为低排放、低能耗的节能新兴产业，以其优良的应用特质，成为各国在节能减排目标中支撑经济转型发展的重要组成部分，被广泛应用于不同照明领域。但在绝大多数场合，LED灯珠直接辐射所形成的照度分布并不能满足使用需求，为此需要对LED的空间光强分布进行重新分配，即LED二次光学设计[1，2]。

照明光学系统的设计大致可分为两种：准直照明和匀光照明。准直照明，指的是把光源发出的光线或者大部分出射光线经配光透镜出射之后，形成一束尺寸接近于配光透鏡大小的平行光束。LED准直光学系统，一般应用于船照灯、激光整形等光学系统中。对于匀光照明，指的是光源发出的光线经配光透镜出射之后，在距离固定目标面处得到一个照明区域光能分布相等，照明区域内无明显亮暗程度变化的硬边照明效果。当前，对于点光源的二次光学设计已相对成熟，而扩展光源的二次配光设计无论是在准直照明还是匀光照明的配光设计，都是当前研究的热点和难点。目前，针对扩展光源自由曲面实现准直照明的有效方法主要分为三种：同步多曲面法（SMS）、以点光源设计为基础引入反馈优化法、内部全反射结构（Tortal Internal Reflection，TIR）。同步多曲面法（SMS）[3]是一种基于面光源，运用非成像光学理论对透镜的多个曲面同时设计计算，该方法对扩展光源的边缘光线可以实现有效约束，而对于照明区域内部光线的调控却不足。在缩小光学尺寸方面，先使用复合抛物面法（CPC）将扩展光源的发散角控制在某一较小范围内，然后采用同步多曲面法（SMS）进行配光设计[4]。罗晓霞等人采用透射-全反射（TIR）组合结构在ZEMAX的二次开发环境下实现了准直照明[5]。

本文提出一种基于单自由曲面配光方法实现扩展光源准直照明二次光学设计。本文以Cree公司CXB3590型LED集成光源进行准直光束的配光设计，最后得到一款距离光源达5m，的LED准直配光透镜。

1  LED准直照明配光透镜设计

1.1  光源的选定

在设计初始阶段，首先需要选定光源，根据光源配光曲线控制光学系统光线的走向，获得想要的照明效果。因此，首先需要对光源配光曲线进行参数化拟合。本文所选光源为Cree公司的XHP50.2型，该光源有效发光面为5mm×5mm。结温条件内额定功率下的发射光通量为1000lm。光源配光曲线准确无误的拟合至关重要，配光曲线经MATLAB傅里叶函数拟合，可得：

假设配光透镜材料的折射率为n，透镜前表面为平面，透镜后表面为待求解自由曲面。点光源放置在坐标原点o处，与透镜前表面S1之距离为a，透镜中心处的厚度为b，收集点光源发出的平面角为2×θmax的立体角内的光线，经配光后可在照明距离为c的目标面上形成半径与配光元件口径大小相同的圆形区域准直照明光束。由于该配光系统关于z轴呈旋转对称结构，则可将问题简化至二维zox平面内，如图1所示。

依据点光源自由曲面准直照明设计方法，对扩展光源准直配光透镜进行结构设计。设计参数为：光源距透镜前表面距离a=63mm;配光元件中心厚度b=24mm;设计折射率为1.493;配光透镜收集±60°以内的光线，前表面坐标采样点为（x1，z1），后表面采样点为（x2，z2）。角度离散间隔0.25°，对点光源进行准直照明二次光学设计，得到自由曲面透镜离散数据点。

根据自由曲面构建技术，将透镜前后的坐标数据点导入光学仿真软件TracePro进行实体建模，得到3D实体模型，如图2所示。从中可以得出，透镜中心厚度为24mm，通光口径为100mm，边缘厚度约为3.2mm。

2  配光透镜仿真分析

设置自由曲面配光透镜材料属性为PMMA，设置波长λ=550nm，对应的模拟折射率为1.493;在原点处建立一半径与真实光源相同的圆形表面光源（即扩展光源），光强分布符合实际光源所述的配光曲线，并且光源出射光通量为1000lm（参照实际输出光通量）;在z=5000mm处设置一目标面，用以接收照度分布。设置属性Perfect Absorber;设置追迹光线数目100万条，对配光元件照明效果进行仿真。模拟照明效果如图3所示。

由图3可知，在距离光源5000mm的目标面上，其最高照度值为6171.6lx，相应的50%光强处半径为202.93mm，其相应照明区域的平均照度值为5384.7lx，则50%光强的光束发散角为2.31°。

3  结  论

本文利用单自由曲面设计方法，实现了对LED出射光束的远场照明配光透镜的仿真设计。结果表明，对于5mm口径圆形扩展光源，采用该方法设计的透镜口径为100mm的配光系统，可获得光束发散半角为±2.31°的照度分布，因此，本文提出的单自由曲面配光方法，对于准直远场照明提供理论依据，在准直照明灯具等测量仪器方面具有重要意义。

参考文献：

[1] 蒋金波，杜雪，李荣彬.LED路灯透镜的二次光学设计介绍 [J].照明工程学报，2008，19（4）：59-65.

[2] Hui Xiong，Liu Jie，Wan Yunjia，et al. Realization of uniform and collimated light distribution in a single freeform-Fresnel double surface LED lens [J].Applied Optics，2017，56（15）：4561-4565.

[3] 张航，梁雪，严金华，等.LED准直器设计中复合抛物面同步多曲面方法 [J].光学学报，2012，32（9）：247-252.

[4] 楊帆，何川，张旭升.一种主次镜组合LED准直照明系统设计与分析 [J].激光与光电子学进展，2018，55（8）：401-405.

[5] 罗晓霞，刘华，卢振武，等.实现LED准直照明的优化设计 [J].光子学报，2011，40（9）：1351-1355.

作者简介：姚海兵（1991-），男，汉族，山西大同人，在读硕士研究生，研究方向：LED二次光学设计。