孟 雙，索龍鳳，董文娟，夏 磊，丁桂林

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212000;2.燕山大學 理學院，河北 秦皇島 066000)

基于棱鏡和微透鏡的LED混光投射透鏡設(shè)計

孟 雙1，索龍鳳2，董文娟1，夏 磊1，丁桂林1

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212000;2.燕山大學 理學院，河北 秦皇島 066000)

基于透鏡側(cè)面棱鏡和前后膜芯添加微透鏡設(shè)計一款出光角度可變的均勻混光照明透鏡。采用棱鏡和微透鏡結(jié)合的新型方法，分別對透鏡外側(cè)棱鏡和模芯微透鏡進行新的設(shè)計。對目標角度進行映射關(guān)系的計算及推導(dǎo)，得到全反射棱鏡的輪廓曲線圖，中心內(nèi)外部分采用折射型的微透鏡陣列，通過Solidworks建立透鏡模型，然后導(dǎo)入光學仿真軟件Lighttools中進行光線追跡。采用12顆30 mm×30 mm貼片式不同色溫的LED作為光源，設(shè)計了一款高度20 mm，直徑52 mm的單顆實用型投射透鏡。仿真與實測結(jié)果表明：所設(shè)計的透鏡匹配該陣列光源后，光學效率高于87%，半光強角為40.6°，可以實現(xiàn)均勻混光投射照明。

光學設(shè)計；二次配光；混光；均勻照明；Lighttools；Solidworks

某些特定投射燈具需要不同色溫的多顆LED通過自由曲面光學元件得到特定角度和均勻混光的光斑光強分布。通過陣列透鏡外側(cè)棱鏡和中心微透鏡，并對其進行特定的二次光源分配就可以有效的解決這個問題[1-2]。本文光學設(shè)計的重點在于外側(cè)棱鏡設(shè)計與微透鏡的排布。

關(guān)于改變光束角度B.J. Huang等人提出了棱鏡控制法，在透鏡外側(cè)加上豎排棱鏡并設(shè)計了兩款光學透鏡，照明角度分別為64°和15°，設(shè)計的光學效率超過75%，存在嚴重的光學損失[3]。相對于同樣是運用棱鏡改變出光角度，利用不同的排布法，光效、光斑大小也有所不同。通過改變棱鏡的排布，將豎排棱鏡變?yōu)閹в袃A斜角度的棱鏡環(huán)繞排布，光學效率增加了3%～7%[5-6]。隨著光斑要求的愈加嚴格，要實現(xiàn)光斑均勻就要求有新的設(shè)計方法出現(xiàn)。用微透鏡結(jié)構(gòu)加在透鏡的前模芯來設(shè)計透鏡，采用蜂窩式(微透鏡)的小單元光學元件陣列，消除了光斑中的陰影、混光效果達到了80%[4]。

采用單一的微透鏡或者棱鏡進行設(shè)計，方法單一，光效低，有明顯的的色溫差[7]。在參考了自由曲面的設(shè)計原理[8]、棱鏡面的全反射原理[3]、蜂窩面的折射原理及混光原理[4]，將參考棱鏡法和微透鏡法，設(shè)計一種綜合使用二者的透鏡，外側(cè)面由多個多面體棱鏡作為全反射部分從上到下逐層排列而成，同一層棱鏡的多個多面體等角度排列；前后模芯陣列加入微透鏡,并將該方法稱之為“棱鏡微透混光法”。

1 棱鏡微透混光法

圖1為棱鏡法中的光學透鏡線路圖[3]。圖2為將要設(shè)計透鏡三維模型，采用兩部分成設(shè)計：外側(cè)棱鏡的設(shè)計和微透鏡的設(shè)計。外側(cè)透鏡即利用全反射定律有效地控制邊緣光線保證出光的角度，提高光的利用率，微透鏡部分采取前后模芯均陣列微透鏡，達到二次聚光混光的效果，可以很好地消除色溫差，實現(xiàn)均勻混光。圖3為設(shè)計原理圖，圖3(a)為棱鏡部分設(shè)計原理，圖3(b)為微透鏡部分設(shè)計原理。

圖1 棱鏡法光學路徑圖

圖2 透鏡三維模型

圖3 設(shè)計原理圖

1.1 棱鏡部分設(shè)計

根據(jù)全反射定律，在介質(zhì)內(nèi)部通過推導(dǎo)計算合理的調(diào)整棱鏡的傾斜度，即改變光線的入射角可以改變?nèi)肷涔饩€的方向，到達指定的方向，或者指定的一點，可以實現(xiàn)光線的全反射，防止光線的浪費[9-11]。

圖4 全反射的優(yōu)化路徑圖

(1)

(2)

代入Ri可得

(3)

由切向量表示式和式(3)可得

(4)

(5)

式(5)整理可得

(6)

代入已知條件，在高度為20 mm，直徑為26 mm范圍內(nèi)可得棱鏡單個曲線走勢，如圖5所示。

圖5 棱鏡單個曲線邊界圖

1.2 微透鏡部分設(shè)計

當在透鏡的前模芯加入微透鏡陣列(蜂窩面)能對原始光再做一次勻光處理[12-14]。對一次封裝質(zhì)量不佳的LEDS或者COB，透鏡表面處理技術(shù)可以對初始光做再一次的完善處理[13]。在PV照明系統(tǒng)中O.S. Sastry等人就使用陣列微透鏡的方法，設(shè)計了一款TIR蜂窩透鏡，設(shè)計角度為15°，使用單一光源[15]。光線通過微透鏡的光路原理如圖6。光源經(jīng)過凹透鏡1后光線進行了一次發(fā)散，然后第一次經(jīng)過微透鏡蜂窩面2進行折射，反光碗能夠更大限度的將LED發(fā)光源的光線進行折射，使其光源聚光效率提高；經(jīng)過一次折射的光線經(jīng)過蜂窩面3透鏡，再次進行折射，明顯光線有規(guī)律的交錯，即經(jīng)過了凹透鏡和微透鏡，光源進行了很好的聚光和混合，消除了不同色溫差，集成效果明顯，混光效率提高。

圖6 蜂窩結(jié)構(gòu)原理圖

圖7 微透鏡結(jié)構(gòu)形成過程

2 仿真模擬

根據(jù)上述理論推導(dǎo)及透鏡尺寸要求，通過Solidworks建立模型，側(cè)面用圖5中所形成的曲線掃描成面填充形成實體，前、后模芯采用圖7(c)的微透鏡陣列。將實體結(jié)構(gòu)導(dǎo)入到LightTools軟件中，在Z=1 000 mm放置一塊接收屏，導(dǎo)入Lumileds公司尺寸為30 mm×30 mm不同色溫的12顆LED作為光源，光源間距1 mm，如圖8所示。用Lighttools光學軟件進行仿真模擬，得到照度均勻度分布圖、配光曲線如圖9所示。

從圖9(a)可以發(fā)現(xiàn)，光斑半徑大小約為R=400 mm，并且光斑非常均勻，光效為88%，圖9(b)為光強配光曲線，圖中可以看出半全角為42°，大于50°的光線幾乎不存在。

圖8 光源的陣列圖結(jié)構(gòu)

圖9 仿真模擬圖

3 產(chǎn)品驗證及結(jié)論

為驗證這種設(shè)計方法設(shè)計的產(chǎn)品是否可以在實際照明中應(yīng)用,滿足客戶對照明的要求，通過模具設(shè)計將產(chǎn)品制作，單顆產(chǎn)品外形如圖10所示。將透鏡匹配光源進行實際測試，在3 m遠處的墻面上形成了一個半徑為1.2 m的均勻圓形光斑，無光圈及色溫差的出現(xiàn)，如圖11(a)所示；運用遠方光度分布測試儀對樣品進行測試，生成測試報告，測試結(jié)果角度為40.6°，光學效率達87.5%，如圖11(b)所示。該產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)與要求參數(shù)相符合，證明該方法及設(shè)計可行，該產(chǎn)品已批量生產(chǎn)用于照明。

圖10 產(chǎn)品實物圖

圖11 實際測試圖

4 結(jié)束語

在學習分析了目前行業(yè)內(nèi)自由曲面透鏡的設(shè)計、棱鏡透鏡的設(shè)計和混光透鏡的原理之后，提出了一種可以實現(xiàn)控制出光角度且可以實現(xiàn)均勻混光的透鏡設(shè)計方法。通過棱鏡微透混光法，分析光線的映射關(guān)系，并且通過兩步對透鏡進行了設(shè)計，對棱鏡部分進行推導(dǎo)獲得棱鏡曲線趨勢圖，對微透鏡結(jié)構(gòu)進行試錯優(yōu)化處理，并導(dǎo)入光學模擬軟件LightTools中，對其進行光學仿真模擬。運用該設(shè)計方法設(shè)計了一款光學效率高于87%的透鏡產(chǎn)品，可以消除光斑中由多芯片LED造成的方格影子獲得色溫均勻的光斑，光源成本價格低，且美觀大方。

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Design of LED Hybrid Projection Lens Based on Prism and Microlens

MENG Shuang1, SUO Longfeng2,DONG Wenjuan1,XIA Lei1, DING Guilin1

(1. School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212000,China;2. School of Science,Yanshan University,Qinhuangdao 066000, China)

The lens side prism and core films before and after adding micro lens to design a light angle variable uniform light mixing illumination lens. Based on using a new method combining prism and micro lens , prism and lens respectively on the outer core micro lens for new design. The calculation and derivation of the mapping relationship between the target angle, get the contour curve figure the total reflection prism, micro lens array and outside of the center part of the refraction type, the lens model is established by Solidworks, and then import the optical simulation software Lighttools for ray tracing. Using twelve 30 mm*30 mm patches with different color temperature LED as the light source, design a single practical projection lens of height is 20 mm, diameter is 52 mm. Simulation and experimental results show that the designed lens, the light source, the optical efficiency is as high as 87%, half intensity angle is 40.6 degrees, can achieve uniform mixing light projection illuminition.

optical design； second distribution； mixing lightting； uniform ligntting； Lighttools； Solidworks

2017- 03- 17

江蘇省2015年度普通高校專業(yè)學位研究生創(chuàng)新計劃項目(SJZZ15_0129)

孟雙(1990-)，女，碩士研究生。研究方向：光學工程光學設(shè)計。

TN312

A

1007-7820(2018)01-046-04