基于LED光源可自由轉化光斑形狀大小的組合透鏡

吳 禹，夏 磊，董文娟，呂 柳，丁桂林

(江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

近年來，隨著LED光源技術的發展成熟，其應用范圍也是越來越廣，相比于白熾燈、熒光燈，LED照明更加的節能環保，同等光源照度的情況下LED功率要遠小于傳統的照明燈具，用電量低，效率更是高出傳統光源80%，同時也不含有害物質或有毒氣體，無輻射，屬于典型的綠色光源；使用壽命更長，采取的固態光源，光源熱度低，工作電壓小，不會因高壓而損壞，采用環氧樹脂封裝，經久耐用[1-2]。而經過LED光源在經過二次配光后能較好地滿足道路照明、景觀燈、裝飾燈等要求[3-4]，通過采用自由曲面設計的透鏡能產生不同角度、不同形狀的光斑[5]。然而目前的各類透鏡都過于單一，設計時就確定了角度和光斑大小。雖然少量的透鏡可小范圍改變光斑的發散角度，但是可以通過調整光源位置，減少進入透鏡的光能來達到目的。本文通過一個全內反射透鏡(TIR)和一個凹透鏡組合，在提高效率的同時可自由改變光斑形狀。

1 組合透鏡設計

1.1 初始條件的確立

在光學設計開始確立初始條件，透鏡材料選擇為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，材料透光率為93%，折射率1.494[6]。LED光源為CREE公司的XP-E類朗伯發光體光源，光源位置處于TIR透鏡[7]燈珠孔，發光面垂直光線傳播方向[8-9]。

1.2 模型的建立

透鏡3D模型建立的基礎就是針對透鏡中光學表面的設計，一般有偏微分方程和試錯法兩種[10-11]。偏微分方程是根據Snell定律和能量守恒[12]建立多項式求解反射折射的曲面面型，通過編程計算出離散點的坐標，再導入軟件中成型；……