产生LED环形光斑的组合透镜设计与参数优化

陈 超,杜国红, 曹艳亭,黄 杰,梁 培

(1.中国计量大学光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018；2.横店集团得邦照明股份有限公司，浙江 金华 321000)

引言

随着设计理念的发展变化，LED技术给灯具设计带来的变革，用户对灯具设计需求的不断增长，将用户需求作为灯具设计的基点，寻找用户需求与LED技术间的设计关系，成为现代化LED灯具设计的重要思路。目前在光斑形状可控方面，现有研究多为圆形光斑和矩形光斑。李澄等[1]提出了一种采用非成像光学设计原理为基础的均匀照明设计方法，可实现任意角度的均匀圆形光斑照明区；李梦远等[2]总结了三类LED路灯照明的实现的方法，他们等人的研究是基于矩形光斑的设计；李竞[3]设计一种以LED为光源实现矩形均匀照明的透镜，目标面照度均匀性优于92.73%；张康等[4]根据边缘光线原理并利用划分网格的方法设计出一款配光透镜，获得了方形均匀光斑，目标面的照度均匀度高达90%。另外有史永胜等[5]采用非成像光学设计中光学扩展度守恒方法得到透镜的方程，分别实现圆形均匀照明和矩形均匀照明，其中圆形照明面照度均匀性达到85%，矩形照明面照度均匀性达到75%。在环形照明方面，黄锦胜等[6]提出一种用于形成均匀照度环形光斑的LED路灯自由曲面的设计方案，以满足LED路灯在环形交叉路段的照明要求；贺志华等[7]出了一种呈圆环形照度分布的LED均匀照明自由曲面透镜配光方案。但是现有环形照明设计是基于单芯片设计，无法适用于高照度需求的应用场合[8-12]。

本文设计了一种环形倾斜阵列的方法，采用底部高度为2.4 mm、底部开口半径为3 mm、出射面为自由曲面的组合透镜，仿真模拟结果表明可实现较大半径的环形均匀光斑。

1 模型建立

(1)

(2)

表1 自由曲面参数列表

图1 底座结构Fig.1 The base structure

图2 组合透镜结构示意图Fig.2 Sketch of the structure of the combined lens

2 仿真模拟

2.1 透镜参数优化研究

组合透镜上表面为自由曲面，透镜内壁以及内置折射曲面用于准直光线。组合透镜底部开口半径与和底部高度对于光线的准直效果有较大的影响，由于透镜出射面自由曲面设计是基于准直出射来建立映射关系的，因此准直效果对于光斑均匀性有着直接影响。

图3 以80 mm为半径，环形阵列1 mm×1 mm朗伯光源经过不同α∈[0.5,2]值的组合透镜，在300 mm处得到仿真照度图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与底部开口半径r的比值为α，不同α值时对其进行仿真模拟，在距离出光面300 mm处得到如图3所示的效果。对比图3中的四张图，可知当α=0.5时，光线扩散较为严重；当α值逐渐增加，光线扩散现象减弱，基本都收束在光环范围内；随着α值进一步增加，光环形状开始出现“扭曲”。为此，接下来对α值在0.5～1.0之间进行插值，进一步寻找最优的α值,如图4所示。适当增加开口半径与底部高度的比值α，可以有效控制光线的发散。底部开口处的折射面的曲率是由映射关系决定的，反射面的曲率也是由映射关系决定的。当α值较小时，透镜对光线约束能力减弱，导致光线扩散现象变得显著。在保持α值不变的前提下，改变h和r的大小，如图5所示。当h和r逐渐增大，相当于增加透镜的尺寸，由于构造透镜母线映射关系是建立在点光源的基础之上，透镜尺寸即h和r的值越大，则芯片越近似为一个点光源，透镜对光线的控制约束效果越理想。但是尺寸不能无限增加，因为透镜尺寸过大会带来较大的加工成本，且增加尺寸直接导致光斑面积也随之增加，环形阵列之后不能有效进行叠加，会出现如图5(c)所示的现象。

图4 以80 mm为半径，环形阵列1 mm×1 mm朗伯光源经过不同α∈[0.6,0.9]值的组合透镜，在300 mm处得到仿真照度图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

图5 以80 mm为半径，环形阵列1 mm×1 mm朗伯光源经过不同h、r值的组合透镜，在300 mm处得到仿真照度图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 对比分析

常见的产生LED环形光斑，是根据光源各个出光角与接收面不同位置的映射关系，可构造自由曲面，实现LED环形照明。虽然可以得到均匀环形光斑，但是由于单芯片出光，受芯片功率限制，环形光斑无法达到灯具设计所需的照度值。环形阵列小角度透镜的方式通过环形阵列，相当于对多个光源进行叠加，使用小功率芯片即可达到灯具设计所需照度值。以80 mm为半径，环形阵列底部开口高度h=3、底部开口半径r=3的小角度透镜，在距离出光面300 mm处得到如图6所示的效果。光环内侧照度分布略高于周边照度分布，出现局部存在亮斑。环形光斑的内径近似于阵列半径，而阵列半径受限于灯具底座尺寸，因此难以得到较大半径的环形光斑。小角度透镜是通过对芯片出射的小角度光线进行折射、对芯片出射的大角度光线进行反射，从而实现光线小角度出射。由于芯片是近朗伯型发光，不同角度的光线强度不同，会聚在接收面上，无法实现均匀照度分布。

图6 以80 mm为半径，环形阵列1 mm×1 mm朗伯光源经过h=3、r=3的准直透镜，在300 mm处得到仿真照度图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

在光线经过透镜作用后小角度出射的基础上增加一个自由曲面面，利用自由曲面对于竖直出射的光线进行控制、收束，对光线能量重新排布，可以有效提高环形光斑的均匀性。在不改变其他参数的情况下，增加一个自由曲面，仿真效果如图7所示。

图7 以80 mm为半径，环形阵列1 mm×1 mm朗伯光源在300 mm处得到仿真照度图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

采用如图1所示的底座结构，让芯片倾斜出光，能够有效增加环形光斑的内径。环形阵列半径为80 mm，倾斜角为10°，对其进行仿真模拟，在距离出光面300 mm处得到如图8所示的效果。光环内径得到有效增加，光环中心照度略高于光环边缘的照度，导致光环均匀度有所下降。

图8 底座结构内圈仿真结果图Fig.8 Simulation results of the inner ring of the base structure

为了可以有效增加光环内径并提高光环均匀性，采取图1所示的底座结构，选用如图2所示的组合透镜。通过参数化研究结果可知，选用α为0.8，h=2.4 mm、r=3 mm、出射面为自由曲面的组合透镜，以80 mm为半径，倾斜10°环形阵列1 mm×1 mm朗伯光源在300 mm处得到仿真照度图，如图9所示。

图9 以80 mm为半径，环形阵列1 mm×1 mm朗伯光源在300 mm处得到仿真照度图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 扩展光源对于均匀度的影响

考虑到芯片本身尺寸会对环形光斑产生一定影响，对于7种不同尺寸的芯片进行仿真模拟，均匀度随芯片尺寸变化如图10所示。透镜的映射关系是建立在点光源的基础上，芯片尺寸越大，组合透镜对于光线的发散控制、约束减弱，环形光斑的扩散现象会越严重。但环形光斑中心的均匀度变化不大，当芯片尺寸进一步增加时，出现了均匀度逐渐下降的趋势。环形光斑是由环形阵列的组合透镜产生的光斑环形叠加而成，在组合透镜自由曲面作用下，带有不同能量的光线进行重新排布，但每个光斑中心照度还是会略高于边缘照度。当芯片尺寸增加，光线受到透镜有效折射、反射减弱，散射增加，在一定程度上减缓了环形阵列光斑中心照度与边缘照度之间的梯度变化，从而出现了均匀度上下波动变化不大的结果。

图10 芯片尺寸对环形光斑均匀度的影响Fig.10 Influence of chip size on circular spot uniformity

2.4 倾斜角度对均匀度的影响

如图11所示，四条折线分别表示了在环形阵列半径为80、100、140和200 mm时，不同倾斜角度对于环形光斑中心均匀度的影响。随着倾斜角度逐渐增加，均匀度会随之发生变化，出现峰值后开始降低。随着环形阵列半径增加，峰值对应的倾斜角度逐渐增加。环形光斑的内径也随之增加。由此可见，通过环形阵列组合透镜产生环形光斑，能够在保证较高均匀度的情况下，得到较大内径的环形光斑。

图11 不同环形阵列半径下倾斜角度对均匀度的影响Fig.11 Effect of tilt angle on different annular array radius uniformity

2.5 灯具背光设计效果仿真

根据参数化研究，比较分析得到α取0.8，h=2.4 mm、r=3 mm时效果最佳，环形倾斜阵列底部开口半径为3 mm、底部高度为2.4 mm的组合透镜。考虑到内外圈效果类似，通过光学仿真软件对内圈和外圈进行仿真模拟，结果如图6所示。以80 mm为环形阵列半径，可得到半径约为133 mm的环形光斑；以200 mm为环形阵列半径，可得到半径约为533 mm的环形光斑。该方法在保持环形阵列半径不变的情况下，有效增加了光环内径，在自由曲面的作用下，环形倾斜阵列透镜后得到光环均匀性得到有效提升。

图12 在300 mm处得到仿真照度图Fig.12 The results of simulation are obtained at 300 mm

3 结论

4圈同心光环的层次渐变，可以制造出照度梯度分布但又均匀渐变的漫射光效果，适用于灯具背光源环形出光效果设计。采用α为0.8，h=2.4 mm、r=3 mm、出射面为自由曲面的组合透镜，进行环形倾斜阵列的方法，可以有效增加光环内径并提高光环均匀性。