一种基于LED的均匀矩形光斑透镜设计

【摘 要】本文从三维给定的LED非成像光学设计出发，探讨了针对LED的二次光学设计方法，并用此方法设计出了能够得到矩形均匀光斑的透镜，对照明系统的仿真模拟验证，证明了这种方法的可行性和正确性。

【关键词】LED；二次光学设计；矩形光斑

A Lens Design of Rectangular Light Distribution Based on LED

YANG Peng CHEN Qiong-wen ZHOU Tao YIN Jun

（College of Mechanical Engineering， Optic-electronics and Physics， Huaihua University， Huaihua Hunan 418008，China）

【Abstract】Based on non-imaging geometry theories and mathematical knowledge， a method of designing of free-form surface is discussed. A lens of rectangular light distribution is designed by this method.The simulation of lighting systems proved the feasibility and correctness of the method .

【Key words】LED； The secondary optical design； Rectangular light distribution

0 前言

相比于传统的照明系统，LED因为它的固有优势（效率高、能耗小、光色纯、电压低、寿命长等）成为了照明的主要趋势[1]。未经过二次光学设计的LED本身发出的光不符合照明要求，具体原因为：单颗LED发光范围小；出光角度与光照强度在空间上呈朗伯型分布[2]。因此，要将LED应用于照明领域就必须对LED进行二次光学设计。

1 LED二次光学设计

LED二次光学设计的概念是针对LED的一次光学设计的。LED的一次光学设计指的是：在对LED芯片进行封装的过程中，对LED进行的光学设计。LED的一次光学设计主要目的在于：一、取出LED 芯片中发出的光能，二、使LED发出的光出射呈一定的角度。二次光学设计的目的则是保证整个照明系统（或灯具）的出光质量[2]。二次光学设计是把LED器件发出的光线集中到系统期望的照明区域上（目标照明面），并满足一定的光强度分部要求，从而使整个系统发出的光能满足设计的要求[3]。

本文针对LED 的二次光学设计，采用的是折射式二次光学设计，本文所使用的LED光源是CERR公司的XP-E芯片，图1是该光源的3D模型图。

LED二次光学设计中，首先应该明确光源的性质以及照明系统的要求，再根据整体要求（场所尺寸、光强度等）确定设计所要达到的出射角度、光强分布等，然后建立理论计算模型，建立透镜模型，将模型导入分析软件中进行模拟分析。本文所采取的设计思路如下图2。

2 透镜面型的设计

2.1 矩形均匀光斑的LED照明系统设计要求

本文所设计的单颗LED矩形光斑透镜照明系统适用于室内、走廊、楼梯间，可以根据不同的应用场所改变LED灯珠的布局。也就是说，应用场所决定这种照明系统的要求，本文设计的LED灯具适用于走廊。设计时要具体情况具体解决。如图3示，在长200mm、宽110mm的平板上均匀放置LED光源，要求对LED进行二次光学设计，在照明目标面上得到一个均匀的矩形光斑。

具体的要求如下：

1）发散角：110°；俯仰角40°。

2）照度：5米的照度要求33lux。

3）均匀度：不得超过10%，即最大光通量与最小光通量之差要小于10%。

4）光能利用率：在保证均匀度的前提下不得低于60%，越高越好。

2.2 矩形均匀光斑的LED照明系统设计思路

根据设计要求，设计的主要关键点有：1）需要对LED进行二次配光透镜设计，要求范围发散角110°、俯仰角40°（如图4示，？琢表示发散角，？茁表示俯仰角）。2）在保证均匀度的前提下，尽量提高照明系统的光能利用率。3）此照明系统为室内照明灯，要求系统的重量越小越好，系统结构越简单越好。综上所述，既要保证出光角度的准确性、提高光能利用率，又要减轻系统重量，利用透镜完成二次光学设计成为首选。最佳的方案应该是设计一个透镜，将这个透镜加在每一个LED光源前面，使得整个照明系统达到其技术要求[3]。这样，照明系统的设计就转变为针对单个LED光源进行二次光学设计。

2.3 3D模型的建立

下面给出编程计算出的空间离散点的图2.3。

在主程序中包括了将计算的坐标值保存到一个Excel文件中，计算出空间离散点后，将得到的离散点数据导入机械设计软件solid works中，进行曲线拟合，得到的拟合曲线如图6所示：

得到离散点及空间曲线后，在软件中建立的3D模型如图7。图7是矩形均匀光斑透镜的模型图，模型图中，透镜的底部都出现了半圆形的空洞，这是为LED灯珠预留的放置位置，LED具体3D模型如图1。

2.4 矩形均匀光斑透镜模拟仿真

将得到的透镜3D模型导入光学仿真软件中，设定符合条件的光源，所选择的光源与所采用的LED光源特性符合。将透镜置于单个LED光源前，设定透镜的折射率，模拟追迹的光线数为100万条，模拟过程如图8所示。

3 照明系统仿真结果分析总结

从模拟仿真结果可知，对于单个的光源，透镜的模拟仿真结果非常理想，但是整体效果并没有单个光源理想，这是因为在整体布灯环节没有经过严格的计算推理。虽然整体效果稍有偏差，但是还是符合整体设计要求。

【参考文献】

[1]闫瑞，肖志松，邓思盛等.LED 光学设计的现状与展望[J].照明工程学报，2011， 22（2）：38-42.

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[3]罗晓霞，刘华，卢振武，等.实现 LED 准直照明的优化设计[J].光子学报，2011， 40（9）：1351-1355.

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