LED二次光學設計的研究現狀與展望

張曼

摘? ?要：隨著照明設計要求的不斷提高，傳統的球面光學元件已經不能滿足現代照明的需要了。文章從幾種常用的設計方法和設計流程出發對二次光學設計未來的發展進行了闡述。自由曲面光學元件由于控光性能好，已經成為必然的研究趨勢。利用幾何光學和光學擴展量、能量守恒定律求解自由曲面的偏微分方程，并利用SolidWorks，Matlab和TracePro進行數值計算、離散點擬合和光學仿真，是目前最有效的方法。

關鍵詞：發光二極管;非成像光學;二次光學設計

發光二極管（Light Emitting Diode，LED）相對于傳統照明光源具有節能環保、使用壽命長、響應時間短、顯色性好等優點，在近年來，已被廣泛用于室內照明、景觀照明、背光與顯示、投影等方面。

LED照明系統在設計時，由于其發光呈朗伯型，所以需要對LED的光線進行重新分配，從而可以提高光源的出光效率和照明系統的效率。從LED器件的封裝到產品，一般要進行一次和二次光學設計。一次光學設計是為了提高芯片的出光效率，而二次光學設計是為了保證照明產品發出的光能滿足設計需要[1]。

1? ? 二次光學設計

傳統燈具為了實現目標面的照度均勻，通常是基于成像光學理論進行設計，比如復眼系統或方棒系統。但是LED的光學設計屬于非成像光學理論，是一種新型照明系統，這類系統跟傳統的成像光學理論設計最大的區別就是，可以提高光源的出光效率并將光線加以分配，實現不同形狀的照度分布。

1.1? 二次光學設計的應用

一次光學設計的目的是在封裝過程中，將LED芯片發出的光盡可能多地取出。二次光學設計是要保證整個光學系統的出光質量，盡可能多地將光線按照需要集中到某個照明區域中，又被稱為配光設計[2]。

首先，二次光學設計用于室內照明燈具的設計中，比如準直透鏡，不僅可以將入射的非平行光調整為平行光，而且還可以對出射光的均勻性進行準直[3]。其次，可用于遠距離照明設計，比如探照燈、汽車燈，由于光學設計之前的光源發散角比較大，很難實現有效照明，光源效率低，通過反光杯和透鏡的二次光學作用，對出射光進行會聚，可以使光能重新分配和提高光能利用率。再次，用于LED背光源的設計，為了提高畫質、色域、對比度等視覺感，要求LED背光模組的光斑輻射方位大，光斑照度均勻性要好，所以近年來，對背光模組所用的背光透鏡設計也從最開始的折射式發展到了反射式，又到了迷你背光透鏡。最后，可以用在數字光處理（Digital Micromirror Device，DMD）技術中，由于DLP技術中最重要的元件是數字微透鏡（Digital Light Processing，DLP）裝置模塊[4]。通過對DLP的投影系統中LED光源進行二次光學設計，可以對光束通過透鏡后的發散角、投影光斑的光照均勻性進行控制，得到較好的光照均勻性。

1.2? 二次光學設計方式

二次光學設計方式主要是通過透鏡或反射器對LED的出光進行反射、折射型或者折反射[5]。其中，反射型是通過反射器將光線的光路進行調整，改變出光角度和出光均勻度，可以分為正向反射型和反向反射型，一般用于半光強角大于80°的照明燈具上，比如筒燈，原理如圖1所示。折射型是通過透鏡的折射作用改變光線的出射角，使其按照預定方向進行傳播，在目標面上得到特定的照明面積和照度分布，比如TIR透鏡、蜂窩面透鏡等，一般用于半光強角小于60°的燈具上，比如射燈、天花燈等，原理如圖2所示。折反射型是通過透鏡在正前方投射聚光，反射器將側面光線收集反射出去，共同作用改變LED光源的出光，使其出光變為特殊分布的光線，一般用于要求出光均勻、形狀特殊的場合，比如LED路燈，原理如圖3所示。

1.3? 二次光學設計方法

二次光學設計方法主要包括經驗法、自由曲面設計法。其中，經驗法是設計者根據自己的經驗利用光學設計軟件對透鏡、反光杯、遮光板進行設計，根據光線追跡結果修改模型。自由曲面設計法是建立在非成像光學的基礎上的，自由曲面不能用單一的函數來表達，只能通過一系列的離散點進行模型建立，并生產出來。設計出來的光源的光學利用率更高，配光更合理，但是設計過程非常復雜。設計方法主要包括微分法、SMS法、網格劃分法。微分法是根據snell定律建立等量矢量關系，并求解非線性微分方程，然后利用Matlab求解自由曲面上的離散點，并最終確立構造模型的方法。SMS法主要是根據邊緣光線理論和能量守恒定律，確定光照能量中輸入和輸出的兩束光波的能量對應關系后計算自由曲面透鏡。網格劃分法是利用邊緣光線擴展微分法和能量守恒定律求解自由曲面光學元件的模型[6]。

2? ? 二次光學設計流程

2.1? 光學設計軟件介紹

Matlab是數據分析和數值計算的專業數學軟件，在配光設計中，通過該軟件進行數值計算，求出反射器或透鏡的一系列離散點。

SolidWorks是三維模型繪圖軟件。在光學設計中，可以用來進行離散點擬合，通過離散點描繪的曲線得到透鏡或反射器的模型。

Tracepro或Lighttools光學設計軟件：得到透鏡或反射器的模型后，導入光學設計軟件進行光學仿真，可以得到目標面上的光斑和照度分布情況。

2.2? 二次光學設計步驟

（1）確定照明要求：根據照明場所和照明效果確定設計要求與目標。

（2）理論計算：根據光源的光線空間分布和目標面的照明區域建立對應關系，進行理論計算，確定照明設計方案。

（3）仿真模擬：將理論計算結果導入Matlab軟件中得到光學元件表面上的離散點，根據離散點在SolidWorks中進行擬合，最終得到光學元件的實體模型。將得到的實體模型導入TracePro或Lighttools中，設置光源、透鏡或反射器的材料屬性，對經過模型后的出光進行光線追跡，得到照度和光強分布圖。

（4）反饋優化：對得到的仿真結果進行分析，將模擬結果與設計要求進行對比，并反復優化設計方案，最終確定最優設計方案。

3? ? 結語

采用計算機仿真與實驗相結合的方法與傳統實驗設計方法相比，不僅可以提高設計的準確性，還可以節省時間、成本，增加社會效益。LED的二次光學設計屬于非成像系統設計，不僅可以提高LED的出光效率，還可以對LED的光強在空間中進行合理分配。目前，自由曲面的光學元件由于控光精確、解決像差問題等優點，已經廣泛用于LED產品中。但是在理論上，連續的自由曲面光學元件控光性能最好，但是制作難度和成本比較高，難以實現廣泛使用。目前，通過自由曲面光學元件的設計獲得均勻照度分布的研究較多，但是在控制出光角度和LED陣列方面的研究較少。在未來，隨著光學設計的方法越來越多、越來越準確，LED產品的出光效率和照度分布會越來越好，一定可以完全替代傳統燈具。

[參考文獻]

[1]閆瑞，肖志松，鄧思盛，等.LED光學設計的現狀與展望[J].照明工程學報，2011（2）：38-42.

[2]羅毅，張賢鵬，王霖，等.半導體照明中的非成像光學及其應用[J].中國激光，2008（7）：963-971.

[3]重慶綠色智能技術研究院.用于紫外LED準直的透鏡：中國，CN201210552914X[P].2013-06-19.

[4]張慧博.基于嵌入式系統下DLP技術的研究與實現[D].北京：北京郵電大學，2014.

[5]萬運佳.LED光源二次配光的新型自由曲面透鏡設計[D].武漢：湖北大學，2019.

[6]劉國強.基于自由曲面的LED光源二次光學設計研究[D].西安：西安理工大學，2017.

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Progress and prospect of LED secondary optical design

Zhang Man

（Yangzhou Institute of Technology，Yangzhou 225009， China）

Abstract：Now the? traditional spherical optics can? not meet the requirements of modern illumination due to increasingly high demand for illumination design. This paper sets forth the future development of secondary optical design based on several common design methods and process. An obvious? tread is research the freeform lens which has excellent ability on light control. The most effective research method is calculation， fitting scatter points， simulation with solidworks Matlab and TracePro after solve a partial differential equation by geometrical optics ， optical expansion and conservation of energy.

Key words：light emitting diode; non-imaging optics; secondary optical design