基于复合抛物面反光杯和菲涅尔透镜组合的洗墙灯LED条形光斑设计优化

王勇恒

(广东三雄极光照明股份有限公司，广东 广州 511495)

引言

作为新一代照明光源，LED相比于传统电光源，优点众多，但LED芯片的发光光强随着发光角呈现余弦分布，在众多的照明场景中，不能满足照明需求，需根据要求进行二次光学设计，对LED光强再分布[1]。

现代洗墙灯一般运用LED的条形光斑特性，朝向建筑物所需照明区域，亮化照明美化环境。传统洗墙灯采用全内反射(Total Internal Reflection，TIR)透镜配光[2]，控光效率高，但LED芯片发光经透镜后会造成约10%～12%光通效率损失，且透镜折射照明区域光线还会出现色差。有些设计者对透镜出光面进行磨砂或晒纹处理，达到混光减少色差效果，但又分散光线增大副光斑，使光线利用率低，进一步损失部分的光通量，导致与建筑物体相对一侧光照不均匀且存在眩光，洗墙灯具出光口靠近墙面处产生波浪光照，影响装饰效果[3]。

为解决洗墙灯以上问题，本文提出反光杯和菲涅尔透镜组合的光学器件[4]设计思路，运用反光杯控制LED芯片120°大立体角范围的光能量，让其直接反射到照明区域，避免经透镜的出光损失；采用菲涅尔透镜控制LED芯片120°内小立体角部分光能量，控制未被反光杯反射而导致的副光斑，使整个光学器件实现全方位控光，高效利用光通量。这两部分光在照明区域叠加，获得洗墙灯所需均匀条形光斑，解决在同电气和同结构条件下，使用传统TIR条纹透镜的洗墙灯具，不能同时达到所需的光束角和80%出光效率问题。

1 设计要求和思路

1.1 洗墙灯单颗LED光学器件设计要求

洗墙灯内部是由若干单颗LED光学器件组成，要求每个LED光学器件的配光平面照射效果符合条形光斑，光通量均匀叠加。以满足被照区域(侧洗墙面)由灯体发光面到远处均匀过渡，灯具整体尺寸需要限制在宽×高=48 mm×41 mm以内。具体单颗LED光学器件设计要求如下：

1)LED光源：CREE-3535 XTE-HE-WW；

2)光通利用率：大于80%；

3)实测光效：大于85 lm/W；

4)光束角(50%Imax)： [C0/180]Total=10°±3°，[C90/270]Total=60°± 5°；

5)光学器件材料：光学塑料PC(聚碳酸酯，Polycarbonate)；

6)光学器件尺寸：长×宽×高=22 mm×22 mm×14 mm以内。

1.2 设计思路

整体洗墙灯具由若干个单颗LED光学器件组装而成，单颗LED光学器件出光如图1所示，具体结构采用Tracepro模拟计算得出。

A—菲涅尔透镜，B—反光杯，C—LED芯片，D—散热铝基板图1 单颗LED出光示意图Fig.1 Ligt output of single LED

单颗LED光学器件设计采用复合抛物面反光杯与菲涅尔透镜的结合方式，复合抛物面反光杯反射截面曲线轮廓为二次抛物曲线方程，LED芯片放置在二次抛物曲线方程所对应的焦点处，使LED芯片发出的光线经过复合抛物面反光杯后达到最佳准直效果。复合抛物面反光杯内表面附有四边形鳞甲结构，控制每层鳞甲大小和鳞甲面弧度，可以有效混光，使光斑照明效果更佳均匀。菲涅尔透镜上表面结构为棱镜条纹，下表面为柱状条纹，放置LED芯片处于菲涅尔透镜焦点处，使经过菲涅尔。根据LED光学器件的大小计算菲涅尔透镜的宽度大小，使反光杯准直光线不受遮挡，整个LED光学器件单元出光效率最大。

2 单颗LED光学器件设计

由于洗墙灯照明应用需为长条形光斑，那么对应的光束角则是关于通过中心轴的两个相互垂直面([C0/180]面和[C90/270]面)各自对称，如图2所示。

图2 三维极坐标分布Fig.2 3D polar distribution

2.1 复合抛物面反光杯设计[5]

设置[C0/180]面为10°出光面，根据二次抛物线方程x2=4fy，可得光源位置放在抛物线焦点处，光线经过二次抛物曲线反光面后准直出射，[C0/180]面内的光束角达到最小10°。运用Tracepro软件自带的反射器函数计算功能菜单插入二次曲线反射器，并将二次曲线反射器表面设置为完全镜面反射，如图3所示。将得到的二次曲线反射器导入3D软件Proe中优化结构；设置[C90/270]面为60°出光面，由3D软件Proe绘制自由曲线得到[C90/270]面的反光面，再导入Tracepro软件进行模拟与分析，并附上四边形鳞甲用于混光。在3D软件Proe中优化得到最终反光杯结构如图4所示，其中A面结构为[C0/180]面10°光束角控光面，B面结构为[C90/270]面60°光束角控光面。

图3 二次曲线反射器表面属性设置Fig.3 Surface property setting for a quadratic curve reflector

图4 最终反光杯结构Fig.4 Final structure of reflective cup

2.2 菲涅尔透镜设计[6]

运用Tracepro软件自带的几何体函数计算功能菜单插入菲涅尔透镜，并将菲涅尔透镜材质设置为PC(聚碳酸酯，Polycarbonate)，如图5所示。将得到的菲涅尔透镜导入3D软件Proe中优化结构，其中图6中C面结构采用菲涅尔透镜准直原理，控制[C0/180]面10°光束角的光线；D面结构采用半圆柱条纹混光原理，控制为[C90/270]面60°光束角的光线。

图5 菲涅尔透镜材质属性设置Fig.5 Material property settings of Fresnel lens

图6 菲涅尔控光设计原理Fig.6 Design principle of Fresnel light control

2.3 单颗LED组装与光学效果模拟[7]

将优化结构的LED光学组装器件(图7)导入Tracepro软件中，设置单个LED光源文件和模拟追击的光线数为300万条，透镜的材质和反光杯的反光镜面，LED光学器件模拟照明系统光线追迹结果如图8所示。

图7 LED光学器件结构爆炸图和整体组装图Fig.7 The structure and overall assembly of LED optical device

图8 LED光学器件模拟照明系统光线追迹结果图Fig.8 Light tracing results of the simulation lighting system for LED optical device

经过光学软件Tracepro模拟，单颗LED条形光斑照度黑白图a、LED条形光斑照度彩色图b、配光曲线极坐标系图c、配光曲线直角坐标系图d，分别如表1所示。

表1 光学软件Tracepro模拟结果

模拟结果分析：光通利用率为81.475%(大于80%)；光斑形状为长条形，且光束角(50%Imax)： [C0/180]Total=11°，[C90/270]Total=62°，满足洗墙灯单颗LED光学器件设计要求。

3 照明系统实际样品与测试及结果分析

1)单颗LED光学组装器件实际样品模型。根据优化LED光学组装器件3D模型制作实物样品，如图9所示。

图9 单颗LED光学组装器件实物样品图Fig.9 Physical samples of optical assembly devices for single LED

2)洗墙灯实际样品测试。用单颗LED光学器件组装一个额定功率为20 W的洗墙灯如图10所示。在照明应用中，光束角为10°×60°且功率为20 W的洗墙灯在5 m处光斑的平均照度需大于140 lx。利用光度分布计进行实际样品测试，并将本文复合抛物面反光杯和菲涅尔透镜组合的洗墙灯光学方案与传统TIR透镜方案实测数据对比分析。本文复合抛物面反光杯和菲涅尔透镜组合的洗墙灯试测试结果如图11所示，20 W洗墙灯光效为89.76 lm/W，光束角为12.4°×61.6°，且在5 m处光斑的平均照度需大于140 lx，设计结果数据对比如表2所示。

图10 洗墙灯整灯照片Fig.10 The wall wash lamp

表2 本文光学器件方案与传统TIR透镜方案优势对比表

4 总结

本文提出一种基于复合抛物面反光杯和菲涅尔透镜组合的LED条形光斑光学器件设计，应用反射定律和折射定律结合的设计理念，使得设计出的洗墙灯光束角(50%Imax)达到[C0/180]面为12.4°和[C90/270]面为61.6°的条形光斑照明效果(因理想模型与物存在误差，允许角度偏差正负3°)。设计的20 W洗墙灯具在5 m远处平均照度可达141.6 lx，较使用传统TIR条纹透镜的洗墙灯具提高了43.3%；整灯光效可达89.76 lm/W，较传统TIR条纹透镜的洗墙灯具提高了26.4%，较好地解决了传统TIR条纹透镜副光斑大、光线利用低、洗墙照射距离短、灯具眩光等问题。

图11 洗墙灯实际样品测试结果图Fig.11 Test results of actual samples of wall wash lamp