陳 超,杜國紅, 曹艷亭,黃 杰,梁 培

(1.中國計量大學(xué)光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.橫店集團(tuán)得邦照明股份有限公司，浙江 金華 321000)

引言

隨著設(shè)計理念的發(fā)展變化，LED技術(shù)給燈具設(shè)計帶來的變革，用戶對燈具設(shè)計需求的不斷增長，將用戶需求作為燈具設(shè)計的基點(diǎn)，尋找用戶需求與LED技術(shù)間的設(shè)計關(guān)系，成為現(xiàn)代化LED燈具設(shè)計的重要思路。目前在光斑形狀可控方面，現(xiàn)有研究多為圓形光斑和矩形光斑。李澄等[1]提出了一種采用非成像光學(xué)設(shè)計原理為基礎(chǔ)的均勻照明設(shè)計方法，可實(shí)現(xiàn)任意角度的均勻圓形光斑照明區(qū)；李夢遠(yuǎn)等[2]總結(jié)了三類LED路燈照明的實(shí)現(xiàn)的方法，他們等人的研究是基于矩形光斑的設(shè)計；李競[3]設(shè)計一種以LED為光源實(shí)現(xiàn)矩形均勻照明的透鏡，目標(biāo)面照度均勻性優(yōu)于92.73%；張康等[4]根據(jù)邊緣光線原理并利用劃分網(wǎng)格的方法設(shè)計出一款配光透鏡，獲得了方形均勻光斑，目標(biāo)面的照度均勻度高達(dá)90%。另外有史永勝等[5]采用非成像光學(xué)設(shè)計中光學(xué)擴(kuò)展度守恒方法得到透鏡的方程，分別實(shí)現(xiàn)圓形均勻照明和矩形均勻照明，其中圓形照明面照度均勻性達(dá)到85%，矩形照明面照度均勻性達(dá)到75%。在環(huán)形照明方面，黃錦勝等[6]提出一種用于形成均勻照度環(huán)形光斑的LED路燈自由曲面的設(shè)計方案，以滿足LED路燈在環(huán)形交叉路段的照明要求；賀志華等[7]出了一種呈圓環(huán)形照度分布的LED均勻照明自由曲面透鏡配光方案。但是現(xiàn)有環(huán)形照明設(shè)計是基于單芯片設(shè)計，無法適用于高照度需求的應(yīng)用場合[8-12]。

本文設(shè)計了一種環(huán)形傾斜陣列的方法，采用底部高度為2.4 mm、底部開口半徑為3 mm、出射面為自由曲面的組合透鏡，仿真模擬結(jié)果表明可實(shí)現(xiàn)較大半徑的環(huán)形均勻光斑。

1 模型建立

(1)

(2)

表1 自由曲面參數(shù)列表

圖1 底座結(jié)構(gòu)Fig.1 The base structure

圖2 組合透鏡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of the structure of the combined lens

2 仿真模擬

2.1 透鏡參數(shù)優(yōu)化研究

組合透鏡上表面為自由曲面，透鏡內(nèi)壁以及內(nèi)置折射曲面用于準(zhǔn)直光線。組合透鏡底部開口半徑與和底部高度對于光線的準(zhǔn)直效果有較大的影響，由于透鏡出射面自由曲面設(shè)計是基于準(zhǔn)直出射來建立映射關(guān)系的，因此準(zhǔn)直效果對于光斑均勻性有著直接影響。

圖3 以80 mm為半徑，環(huán)形陣列1 mm×1 mm朗伯光源經(jīng)過不同α∈[0.5,2]值的組合透鏡，在300 mm處得到仿真照度圖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與底部開口半徑r的比值為α，不同α值時對其進(jìn)行仿真模擬，在距離出光面300 mm處得到如圖3所示的效果。對比圖3中的四張圖，可知當(dāng)α=0.5時，光線擴(kuò)散較為嚴(yán)重；當(dāng)α值逐漸增加，光線擴(kuò)散現(xiàn)象減弱，基本都收束在光環(huán)范圍內(nèi)；隨著α值進(jìn)一步增加，光環(huán)形狀開始出現(xiàn)“扭曲”。為此，接下來對α值在0.5～1.0之間進(jìn)行插值，進(jìn)一步尋找最優(yōu)的α值,如圖4所示。適當(dāng)增加開口半徑與底部高度的比值α，可以有效控制光線的發(fā)散。底部開口處的折射面的曲率是由映射關(guān)系決定的，反射面的曲率也是由映射關(guān)系決定的。當(dāng)α值較小時，透鏡對光線約束能力減弱，導(dǎo)致光線擴(kuò)散現(xiàn)象變得顯著。在保持α值不變的前提下，改變h和r的大小，如圖5所示。當(dāng)h和r逐漸增大，相當(dāng)于增加透鏡的尺寸，由于構(gòu)造透鏡母線映射關(guān)系是建立在點(diǎn)光源的基礎(chǔ)之上，透鏡尺寸即h和r的值越大，則芯片越近似為一個點(diǎn)光源，透鏡對光線的控制約束效果越理想。但是尺寸不能無限增加，因?yàn)橥哥R尺寸過大會帶來較大的加工成本，且增加尺寸直接導(dǎo)致光斑面積也隨之增加，環(huán)形陣列之后不能有效進(jìn)行疊加，會出現(xiàn)如圖5(c)所示的現(xiàn)象。

圖4 以80 mm為半徑，環(huán)形陣列1 mm×1 mm朗伯光源經(jīng)過不同α∈[0.6,0.9]值的組合透鏡，在300 mm處得到仿真照度圖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

圖5 以80 mm為半徑，環(huán)形陣列1 mm×1 mm朗伯光源經(jīng)過不同h、r值的組合透鏡，在300 mm處得到仿真照度圖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 對比分析

常見的產(chǎn)生LED環(huán)形光斑，是根據(jù)光源各個出光角與接收面不同位置的映射關(guān)系，可構(gòu)造自由曲面，實(shí)現(xiàn)LED環(huán)形照明。雖然可以得到均勻環(huán)形光斑，但是由于單芯片出光，受芯片功率限制，環(huán)形光斑無法達(dá)到燈具設(shè)計所需的照度值。環(huán)形陣列小角度透鏡的方式通過環(huán)形陣列，相當(dāng)于對多個光源進(jìn)行疊加，使用小功率芯片即可達(dá)到燈具設(shè)計所需照度值。以80 mm為半徑，環(huán)形陣列底部開口高度h=3、底部開口半徑r=3的小角度透鏡，在距離出光面300 mm處得到如圖6所示的效果。光環(huán)內(nèi)側(cè)照度分布略高于周邊照度分布，出現(xiàn)局部存在亮斑。環(huán)形光斑的內(nèi)徑近似于陣列半徑，而陣列半徑受限于燈具底座尺寸，因此難以得到較大半徑的環(huán)形光斑。小角度透鏡是通過對芯片出射的小角度光線進(jìn)行折射、對芯片出射的大角度光線進(jìn)行反射，從而實(shí)現(xiàn)光線小角度出射。由于芯片是近朗伯型發(fā)光，不同角度的光線強(qiáng)度不同，會聚在接收面上，無法實(shí)現(xiàn)均勻照度分布。

圖6 以80 mm為半徑，環(huán)形陣列1 mm×1 mm朗伯光源經(jīng)過h=3、r=3的準(zhǔn)直透鏡，在300 mm處得到仿真照度圖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

在光線經(jīng)過透鏡作用后小角度出射的基礎(chǔ)上增加一個自由曲面面，利用自由曲面對于豎直出射的光線進(jìn)行控制、收束，對光線能量重新排布，可以有效提高環(huán)形光斑的均勻性。在不改變其他參數(shù)的情況下，增加一個自由曲面，仿真效果如圖7所示。

圖7 以80 mm為半徑，環(huán)形陣列1 mm×1 mm朗伯光源在300 mm處得到仿真照度圖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

采用如圖1所示的底座結(jié)構(gòu)，讓芯片傾斜出光，能夠有效增加環(huán)形光斑的內(nèi)徑。環(huán)形陣列半徑為80 mm，傾斜角為10°，對其進(jìn)行仿真模擬，在距離出光面300 mm處得到如圖8所示的效果。光環(huán)內(nèi)徑得到有效增加，光環(huán)中心照度略高于光環(huán)邊緣的照度，導(dǎo)致光環(huán)均勻度有所下降。

圖8 底座結(jié)構(gòu)內(nèi)圈仿真結(jié)果圖Fig.8 Simulation results of the inner ring of the base structure

為了可以有效增加光環(huán)內(nèi)徑并提高光環(huán)均勻性，采取圖1所示的底座結(jié)構(gòu)，選用如圖2所示的組合透鏡。通過參數(shù)化研究結(jié)果可知，選用α為0.8，h=2.4 mm、r=3 mm、出射面為自由曲面的組合透鏡，以80 mm為半徑，傾斜10°環(huán)形陣列1 mm×1 mm朗伯光源在300 mm處得到仿真照度圖，如圖9所示。

圖9 以80 mm為半徑，環(huán)形陣列1 mm×1 mm朗伯光源在300 mm處得到仿真照度圖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 擴(kuò)展光源對于均勻度的影響

考慮到芯片本身尺寸會對環(huán)形光斑產(chǎn)生一定影響，對于7種不同尺寸的芯片進(jìn)行仿真模擬，均勻度隨芯片尺寸變化如圖10所示。透鏡的映射關(guān)系是建立在點(diǎn)光源的基礎(chǔ)上，芯片尺寸越大，組合透鏡對于光線的發(fā)散控制、約束減弱，環(huán)形光斑的擴(kuò)散現(xiàn)象會越嚴(yán)重。但環(huán)形光斑中心的均勻度變化不大，當(dāng)芯片尺寸進(jìn)一步增加時，出現(xiàn)了均勻度逐漸下降的趨勢。環(huán)形光斑是由環(huán)形陣列的組合透鏡產(chǎn)生的光斑環(huán)形疊加而成，在組合透鏡自由曲面作用下，帶有不同能量的光線進(jìn)行重新排布，但每個光斑中心照度還是會略高于邊緣照度。當(dāng)芯片尺寸增加，光線受到透鏡有效折射、反射減弱，散射增加，在一定程度上減緩了環(huán)形陣列光斑中心照度與邊緣照度之間的梯度變化，從而出現(xiàn)了均勻度上下波動變化不大的結(jié)果。

圖10 芯片尺寸對環(huán)形光斑均勻度的影響Fig.10 Influence of chip size on circular spot uniformity

2.4 傾斜角度對均勻度的影響

如圖11所示，四條折線分別表示了在環(huán)形陣列半徑為80、100、140和200 mm時，不同傾斜角度對于環(huán)形光斑中心均勻度的影響。隨著傾斜角度逐漸增加，均勻度會隨之發(fā)生變化，出現(xiàn)峰值后開始降低。隨著環(huán)形陣列半徑增加，峰值對應(yīng)的傾斜角度逐漸增加。環(huán)形光斑的內(nèi)徑也隨之增加。由此可見，通過環(huán)形陣列組合透鏡產(chǎn)生環(huán)形光斑，能夠在保證較高均勻度的情況下，得到較大內(nèi)徑的環(huán)形光斑。

圖11 不同環(huán)形陣列半徑下傾斜角度對均勻度的影響Fig.11 Effect of tilt angle on different annular array radius uniformity

2.5 燈具背光設(shè)計效果仿真

根據(jù)參數(shù)化研究，比較分析得到α取0.8，h=2.4 mm、r=3 mm時效果最佳，環(huán)形傾斜陣列底部開口半徑為3 mm、底部高度為2.4 mm的組合透鏡?？紤]到內(nèi)外圈效果類似，通過光學(xué)仿真軟件對內(nèi)圈和外圈進(jìn)行仿真模擬，結(jié)果如圖6所示。以80 mm為環(huán)形陣列半徑，可得到半徑約為133 mm的環(huán)形光斑；以200 mm為環(huán)形陣列半徑，可得到半徑約為533 mm的環(huán)形光斑。該方法在保持環(huán)形陣列半徑不變的情況下，有效增加了光環(huán)內(nèi)徑，在自由曲面的作用下，環(huán)形傾斜陣列透鏡后得到光環(huán)均勻性得到有效提升。

圖12 在300 mm處得到仿真照度圖Fig.12 The results of simulation are obtained at 300 mm

3 結(jié)論

4圈同心光環(huán)的層次漸變，可以制造出照度梯度分布但又均勻漸變的漫射光效果，適用于燈具背光源環(huán)形出光效果設(shè)計。采用α為0.8，h=2.4 mm、r=3 mm、出射面為自由曲面的組合透鏡，進(jìn)行環(huán)形傾斜陣列的方法，可以有效增加光環(huán)內(nèi)徑并提高光環(huán)均勻性。