產生LED環形光斑的組合透鏡設計與參數優化

陳 超,杜國紅, 曹艷亭,黃 杰,梁 培

(1.中國計量大學光學與電子科技學院，浙江 杭州 310018；2.橫店集團得邦照明股份有限公司，浙江 金華 321000)

引言

隨著設計理念的發展變化，LED技術給燈具設計帶來的變革，用戶對燈具設計需求的不斷增長，將用戶需求作為燈具設計的基點，尋找用戶需求與LED技術間的設計關系，成為現代化LED燈具設計的重要思路。目前在光斑形狀可控方面，現有研究多為圓形光斑和矩形光斑。李澄等[1]提出了一種采用非成像光學設計原理為基礎的均勻照明設計方法，可實現任意角度的均勻圓形光斑照明區；李夢遠等[2]總結了三類LED路燈照明的實現的方法，他們等人的研究是基于矩形光斑的設計；李競[3]設計一種以LED為光源實現矩形均勻照明的透鏡，目標面照度均勻性優于92.73%；張康等[4]根據邊緣光線原理并利用劃分網格的方法設計出一款配光透鏡，獲得了方形均勻光斑，目標面的照度均勻度高達90%。另外有史永勝等[5]采用非成像光學設計中光學擴展度守恒方法得到透鏡的方程，分別實現圓形均勻照明和矩形均勻照明，其中圓形照明面照度均勻性達到85%，矩形照明面照度均勻性達到75%。在環形照明方面，黃錦勝等[6]提出一種用于形成均勻照度環形光斑的LED路燈自由曲面的設計方案，以滿足LED路燈在環形交叉路段的照明要求；賀志華等[7]出了一種呈圓環形照度分布的LED均勻照明自由曲面透鏡配光方案。但是現有環形照明設計是基于單芯片設計，無法適用于高照度需求的應用場合[8-12]。

本文設計了一種環形傾斜陣列的方法，采用底部高度為2.4 mm、底部開口半徑為3 mm、出射面為自由曲面的組合透鏡，仿真模擬結果表明可實現較大半徑的環形均勻光斑。

1 模型建立

(1)

(2)

表1 自由曲面參數列表

圖1 底座結構Fig.1 The base structure

圖2 組合透鏡結構示意圖Fig.2 Sketch of the structure of the combined lens

2 仿真模擬

2.1 透鏡參數優化研究

組合透鏡上表面為自由曲面，透鏡內壁以及內置折射曲面用于準直光線。組合透鏡底部開口半徑與和底部高度對于光線的準直效果有較大的影響，由于透鏡出射面自由曲面設計是基于準直出射來建立映射關系的，因此準直效果對于光斑均勻性有著直接影響。

圖3 以80 mm為半徑，環形陣列1 mm×1 mm朗伯光源經過不同α∈[0.5,2]值的組合透鏡，在300 mm處得到仿真照度圖Fig.3 With 80 mm as the radius of circular array,1 mm×1 mm Lambertian source through different values of α of the combined lens,the simulation illumination map is obtained at 300 mm

令底部高度h與底部開口半徑r的比值為α，不同α值時對其進行仿真模擬，在距離出光面300 mm處得到如圖3所示的效果。對比圖3中的四張圖，可知當α=0.5時，光線擴散較為嚴重；當α值逐漸增加，光線擴散現象減弱，基本都收束在光環范圍內；隨著α值進一步增加，光環形狀開始出現“扭曲”。為此，接下來對α值在0.5～1.0之間進行插值，進一步尋找最優的α值,如圖4所示。適當增加開口半徑與底部高度的比值α，可以有效控制光線的發散。底部開口處的折射面的曲率是由映射關系決定的，反射面的曲率也是由映射關系決定的。當α值較小時，透鏡對光線約束能力減弱，導致光線擴散現象變得顯著。在保持α值不變的前提下，改變h和r的大小，如圖5所示。當h和r逐漸增大，相當于增加透鏡的尺寸，由于構造透鏡母線映射關系是建立在點光源的基礎之上，透鏡尺寸即h和r的值越大，則芯片越近似為一個點光源，透鏡對光線的控制約束效果越理想。但是尺寸不能無限增加，因為透鏡尺寸過大會帶來較大的加工成本，且增加尺寸直接導致光斑面積也隨之增加，環形陣列之后不能有效進行疊加，會出現如圖5(c)所示的現象。

圖4 以80 mm為半徑，環形陣列1 mm×1 mm朗伯光源經過不同α∈[0.6,0.9]值的組合透鏡，在300 mm處得到仿真照度圖Fig.4 With 80 mm as the radius of circular array,1 mm×1 mm Lambertian source through different values of αof the combined lens,the simulation illumination map is obtained at 300 mm

圖5 以80 mm為半徑，環形陣列1 mm×1 mm朗伯光源經過不同h、r值的組合透鏡，在300 mm處得到仿真照度圖Fig.5 With 80 mm as the radius of circular array,1 mm×1 mm Lambertian source through different values of h，r of the combined lens,the simulation illumination map is obtained at 300 mm

2.2 對比分析

常見的產生LED環形光斑，是根據光源各個出光角與接收面不同位置的映射關系，可構造自由曲面，實現LED環形照明。雖然可以得到均勻環形光斑，但是由于單芯片出光，受芯片功率限制，環形光斑無法達到燈具設計所需的照度值。環形陣列小角度透鏡的方式通過環形陣列，相當于對多個光源進行疊加，使用小功率芯片即可達到燈具設計所需照度值。以80 mm為半徑，環形陣列底部開口高度h=3、底部開口半徑r=3的小角度透鏡，在距離出光面300 mm處得到如圖6所示的效果。光環內側照度分布略高于周邊照度分布，出現局部存在亮斑。環形光斑的內徑近似于陣列半徑，而陣列半徑受限于燈具底座尺寸，因此難以得到較大半徑的環形光斑。小角度透鏡是通過對芯片出射的小角度光線進行折射、對芯片出射的大角度光線進行反射，從而實現光線小角度出射。由于芯片是近朗伯型發光，不同角度的光線強度不同，會聚在接收面上，無法實現均勻照度分布。

圖6 以80 mm為半徑，環形陣列1 mm×1 mm朗伯光源經過h=3、r=3的準直透鏡，在300 mm處得到仿真照度圖Fig.6 With 80 mm as the radius of circular array，1 mm×1 mm Lambert light source through h=3,r=3 of the collimation lens, simulation illumination map is obtained at 300 mm

在光線經過透鏡作用后小角度出射的基礎上增加一個自由曲面面，利用自由曲面對于豎直出射的光線進行控制、收束，對光線能量重新排布，可以有效提高環形光斑的均勻性。在不改變其他參數的情況下，增加一個自由曲面，仿真效果如圖7所示。

圖7 以80 mm為半徑，環形陣列1 mm×1 mm朗伯光源在300 mm處得到仿真照度圖Fig.7 With 80 mm as the radius of circular array,1 mm×1 mm Lambert light source, simulation illumination map is obtained at 300 mm

采用如圖1所示的底座結構，讓芯片傾斜出光，能夠有效增加環形光斑的內徑。環形陣列半徑為80 mm，傾斜角為10°，對其進行仿真模擬，在距離出光面300 mm處得到如圖8所示的效果。光環內徑得到有效增加，光環中心照度略高于光環邊緣的照度，導致光環均勻度有所下降。

圖8 底座結構內圈仿真結果圖Fig.8 Simulation results of the inner ring of the base structure

為了可以有效增加光環內徑并提高光環均勻性，采取圖1所示的底座結構，選用如圖2所示的組合透鏡。通過參數化研究結果可知，選用α為0.8，h=2.4 mm、r=3 mm、出射面為自由曲面的組合透鏡，以80 mm為半徑，傾斜10°環形陣列1 mm×1 mm朗伯光源在300 mm處得到仿真照度圖，如圖9所示。

圖9 以80 mm為半徑，環形陣列1 mm×1 mm朗伯光源在300 mm處得到仿真照度圖Fig.9 With 80 mm as the radius of circular array,1 mm×1 mm Lambert light source, simulation illumination map is obtained at 300 mm

2.3 擴展光源對于均勻度的影響

考慮到芯片本身尺寸會對環形光斑產生一定影響，對于7種不同尺寸的芯片進行仿真模擬，均勻度隨芯片尺寸變化如圖10所示。透鏡的映射關系是建立在點光源的基礎上，芯片尺寸越大，組合透鏡對于光線的發散控制、約束減弱，環形光斑的擴散現象會越嚴重。但環形光斑中心的均勻度變化不大，當芯片尺寸進一步增加時，出現了均勻度逐漸下降的趨勢。環形光斑是由環形陣列的組合透鏡產生的光斑環形疊加而成，在組合透鏡自由曲面作用下，帶有不同能量的光線進行重新排布，但每個光斑中心照度還是會略高于邊緣照度。當芯片尺寸增加，光線受到透鏡有效折射、反射減弱，散射增加，在一定程度上減緩了環形陣列光斑中心照度與邊緣照度之間的梯度變化，從而出現了均勻度上下波動變化不大的結果。

圖10 芯片尺寸對環形光斑均勻度的影響Fig.10 Influence of chip size on circular spot uniformity

2.4 傾斜角度對均勻度的影響

如圖11所示，四條折線分別表示了在環形陣列半徑為80、100、140和200 mm時，不同傾斜角度對于環形光斑中心均勻度的影響。隨著傾斜角度逐漸增加，均勻度會隨之發生變化，出現峰值后開始降低。隨著環形陣列半徑增加，峰值對應的傾斜角度逐漸增加。環形光斑的內徑也隨之增加。由此可見，通過環形陣列組合透鏡產生環形光斑，能夠在保證較高均勻度的情況下，得到較大內徑的環形光斑。

圖11 不同環形陣列半徑下傾斜角度對均勻度的影響Fig.11 Effect of tilt angle on different annular array radius uniformity

2.5 燈具背光設計效果仿真

根據參數化研究，比較分析得到α取0.8，h=2.4 mm、r=3 mm時效果最佳，環形傾斜陣列底部開口半徑為3 mm、底部高度為2.4 mm的組合透鏡。考慮到內外圈效果類似，通過光學仿真軟件對內圈和外圈進行仿真模擬，結果如圖6所示。以80 mm為環形陣列半徑，可得到半徑約為133 mm的環形光斑；以200 mm為環形陣列半徑，可得到半徑約為533 mm的環形光斑。該方法在保持環形陣列半徑不變的情況下，有效增加了光環內徑，在自由曲面的作用下，環形傾斜陣列透鏡后得到光環均勻性得到有效提升。

圖12 在300 mm處得到仿真照度圖Fig.12 The results of simulation are obtained at 300 mm

3 結論

4圈同心光環的層次漸變，可以制造出照度梯度分布但又均勻漸變的漫射光效果，適用于燈具背光源環形出光效果設計。采用α為0.8，h=2.4 mm、r=3 mm、出射面為自由曲面的組合透鏡，進行環形傾斜陣列的方法，可以有效增加光環內徑并提高光環均勻性。