基于LED光源的TIR透镜设计

黄煊 李祥阳 罗芳琳

【摘 要】为了提高LED灯具的发光效率和照明系统的光能利用率，本文研究了一种基于自由曲面的能对光源进行准直的TIR透镜设计，使用Lighttools软件设计了一个全内反射透镜模型，通过对透镜曲面的参数进行优化，达到效果最佳的出光效果。

【关键词】LED;TIR透镜;优化

1.引言

1.1 LED的发展背景

近年来，各个国家和行业都花费了大量的人力、财力资源在发光二极管及其灯具的研究和发展应用上。与传统的光源相比，LED作为第四代照明光源和绿色光源，它具有效率高、节能环保、寿命长、可靠性强等优点、广泛应用于各种指示器件、显示器件、装饰器件、户外照明器件、背光板等领域。大功率LED是第四代光源的代表，普通大功率LED发光效率很高，是白炽灯的八倍，荧光灯的两倍多，这就意味着在满足相同的光照时可以节约大量的电能，降低了耗能成本。

1.2 研究背景

实际生活中，LED发光亮度比较低，并且发散角比较大，一般不能直接用于光学系统中，而是经过二次光学系统设计，也就是经过一个TIR透镜汇聚并准直后，才能应用于照明器件中。由于TIR透镜具有减小光束发散角度实现准直的作用，所以它在实际应用中的用处很大。在微型投影系统中，TIR透镜结构的优化设计是关键，它的光束收集整形能力从很大程度上决定了系统的光能利用率和均匀度。在LED微型投影仪照明系统中，以系统光能利用率和照明均匀性构建评价函数，采用光纤追迹和结构优化相结合的方法，对TIR透镜进行优化设计，将大角度扩展光束压缩到小角度范围以内，并且使得投影屏幕达到一定的照明均匀性。

2.结构原理

TIR透镜的设计基于全内反射的原理，透镜由4部分组成，中间内凹的非球面柱面镜部分、侧面的全反射棱镜部分、两端的全反射棱镜部分、以及上表面“W”型的自由曲面组成。透镜将郎伯型LED的光配成沿X方向120°（水平方向）以及Y方向60°（垂直方向）的光度分布。透镜的设计遵循“边缘光线原理”，即在X方向，输出光线的边缘光线的与光轴的夹角为±60°，其他所有的输出光线都分布在这一角度之内，在Y方向，输出光线的边缘光线的角度为±30°。

沿Y方向的配光时，从LED发出的中间部分的光，由内凹的柱面镜进行会聚，会聚后所有输出光线的反向延长线交于一虚焦点“F”，“F”与柱面镜边缘组成的这部分光线，再经过上表面之后，分布在角度±30°之内。剩下从LED发出的往侧面部分的光，则由侧面的全反射棱镜进行配光。经入射面入射到外侧全反射面的光线，从下到上，其反射角是渐变的，再经过上面的输出面折射之后，这部分光也分布均匀在±30°之内。沿X方向的配光时的，内凹的柱面镜覆盖了从LED发出的中间部分的±76°之内的光线，上表面“W”形状的曲面将这部分的光线均匀分配在发散角为±60°之内，并形成一个蝙蝠翼的配光曲线分布。透镜两端各有一全反射棱镜，用来起截光的作用，收集剩下从LED发出的±76°～90°的光，经过透镜两端外侧的全反射面反射和上表面“W”曲面的折射之后，重新分布在光束角±30°之内。两部分的光叠加一起后形成一光束角为±60°的光度分布。

3.设计与分析

3.1 三维模型的设计与优化

本文采用Lighttools软件对TIR透镜进行建模。使用的光源是Cree公司XLamp CB-D系列的XBDAWT-CW_Aug2012模型的LED，用软件的布尔物体运算对模型进行修整，完成三维模型后，将实体中两个透镜的面型作为优化变量，并添加准直评价函数，以实现光学系统的准直效果。自动优化完成后，为使光线进一步地准直，可以适当调整透镜的曲面半径，进行二次手动优化。此时对设计好的TIR透镜进行光线追迹，发现光束已经比较好地实现了准直，如图一所示。

3.2分析

仿真实验表明，透镜的曲面半径越大，光线发散的角度越大，曲面半径越小，光线会聚的作用越明显，实际中应该权衡会聚和发散的作用，使光线尽可能地准直。此时观察光线追迹的光强分布和发光角度，光斑的强度分布比较均匀，能量集中。而且发光角度也从原来的120°限制在了比较小的角度内，而且透镜出射的光线已经明显实现了准直，总体目标基本达到，如图二所示。

4.总结

LED是顺应时代发展的新型光源，自带许多优越的特性，LED的应用范围得以不断拓宽。但是LED也有自身的局限性：发光角度大，能量利用率低，因此实际应用中往往要配合这二次光学器件进行使用。本文用Lighttools软件设计了一个基于LED的TIR全内反射透镜，目的是实现减小发散角，实现光束准直，提高能量利用率。并且利用Lighttools软件自带的优化系统，添加准直优化函数，对全内反射透镜的曲面进行优化使得光线会聚准直，然后通过手动优化，即通过修改自由曲面的曲率半径，进一步提高准直效果，从而完成出强度分布比较均匀，光束发散角减小到±15°，能量利用率达到百分之90以上的TIR全内反射透镜的设计。

【参考文献】

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[4] 王未未. 基于TIR结构LED准直透镜的设计与实现[J]. 电子科技， 2016， 29（1）：5-8.

作者简介：黄煊（1998—），男，汉族，广西梧州人，江苏大学本科就读，光学工程方向。李祥陽（1998—），女，汉族，甘肃宁县人，江苏大学本科就读，光学工程方向。罗芳琳（1998—），女，汉族，福建龙岩人，江苏大学本科就读，光学工程方向。

科研项目：江苏大学第十七批大学生科研立项一般项目，项目编号：Y17A059.