盧 雪，宋 凱，祝明洋

(華格照明科技(上海)有限公司，上海 201210)

引言

LED因具有環(huán)保、顯色性好、壽命長等優(yōu)點得到了快速的發(fā)展，隨著大功率LED的普及與發(fā)展[1-4],越來越多的被應(yīng)用于照明、顯示、景觀等領(lǐng)域[5-7]。但LED本身朗伯體的出光分布，滿足不了一些照明場所的需要，因此需要將LED光強(qiáng)進(jìn)行二次分配[8-15]。LED二次光學(xué)設(shè)計方法主要有試錯法和求偏微分方程法。本文采用試錯法的設(shè)計原理，充分利用三維軟件與光學(xué)仿真軟件之間的鏈接功能，根據(jù)豐富的經(jīng)驗，經(jīng)過多次調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的自由曲面后，更方便和快速的實現(xiàn)預(yù)期的照明效果。同時，本文還給出了實際光學(xué)系統(tǒng)的燈具點亮效果。

1 洗墻光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 試錯法光學(xué)設(shè)計流程

本文采用試錯法設(shè)計，設(shè)計原理如圖1所示[16]。這里確定設(shè)計的要求和條件。本文的洗墻光學(xué)系統(tǒng)使用的光源是CXB1512 COB光源，如圖2所示。使用的透鏡是透光率為92%，折射率n=1.49的PMMA材料，最終要實現(xiàn)的照明效果是在兩燈安裝間距為1 m，燈具距離墻面為1 m安裝的條件下，實現(xiàn)洗亮3 m高墻的光學(xué)效果。

圖1 設(shè)計流程圖Fig.1 Design flow diagram

圖2 CXB1512光源Fig.2 CXB1512 light source

明確此設(shè)計要求后，可以在三維建模軟件里建立此光學(xué)系統(tǒng)的初始模型，如圖3所示。

1—光源，2—反光杯，3—透鏡，4—透鏡支架，5—殼體圖3 洗墻系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)Fig.3 Initial structure of the optical system

1.2 洗墻光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計原理

如圖3所示，此光學(xué)系統(tǒng)主要包括光源、反光杯、透鏡、透鏡支架、殼體。所述光源1可以是COB光源，也可以是多顆單顆LED組合而成，優(yōu)先選用COB光源。所述反光杯2的表面為電鍍鏡面，開口平面與水平方向有一定夾角。所述透鏡3的材料為PMMA材料；透鏡在遠(yuǎn)離墻面的一端設(shè)有三角形凸出部分，透鏡的上表面與水平方向有一定夾角，且透鏡上表面與反光杯開口平行。

設(shè)計原理可參照圖4(a)所示，光線R1、R2、R3為經(jīng)過反光杯2反射的光線，其中光線R3與水平方向會有一較大的夾角。因此，在不增設(shè)透鏡或反光杯的情況下，光線R3與水平方向夾角所對應(yīng)的墻角區(qū)域會有較大暗區(qū)。通過增設(shè)一個透鏡片用來補(bǔ)償光線L1與光線L2夾角的區(qū)域，其中光線L2的方向為水平方向，此區(qū)域比R3與水平方向夾角的區(qū)域略大，以保證整個光斑從墻角處往下可以均勻過渡。如圖4(b)所示，O點為光源中心點，反光杯截面的母線為經(jīng)過a、b、c三點的自由曲線，曲線平滑過渡。其中經(jīng)過a點的反射光線為R1，其出射方向與水平方向的夾角為20°；經(jīng)過c點反射的光線為R3，其出射方向與水平方向的夾角為75°；b點為a與c的中點，經(jīng)過b點的反射光線為R2，其出射方向與水平方向夾角為47.5°。反光杯的上表面開口面與水平方向的夾角為22.5°。透鏡由平面的透光部分與三角形的全反射部分，其中全反射部分對光學(xué)效果起關(guān)鍵作用。此全反射部分由入射面與全反射面組成，入射面為一平面，全反射面為一自由曲面。如圖5所示，全反射面截面的曲線為經(jīng)過d點與e點的曲線，d點為透鏡靠近上端的點，e點為透鏡的最下端點，此點與燈具的出光口平面平行。O點發(fā)出的光線，在經(jīng)過d點全反射后，從透鏡出光面射出，其方向與水平方向的夾角為25°；而經(jīng)過e點全反射的光線，其出射方向為水平方向，對應(yīng)于被照射墻面的墻角點。

圖4 洗墻光學(xué)系統(tǒng)光線走勢示意Fig.4 Ray propagation path

通過將初始模型導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件后，進(jìn)行仿真分析，通過將模擬分析得到的IES文件，導(dǎo)入場景仿真軟件里模擬后，得到照明結(jié)果；經(jīng)過幾輪的模擬分析和三維圖紙調(diào)整后，最終在場景仿真軟件里得到一個比較滿意的效果。最終根據(jù)最終圖紙制作出的燈具，經(jīng)實際點亮后驗證效果。

1.3 洗墻光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化

在光學(xué)仿真軟件中導(dǎo)入CXB1512光源進(jìn)行光線追跡模擬，在距離燈具 1 m的位置處放置一4 000 mm(寬)×3 000 mm(高)的接收屏，用于觀察燈具的輻照度分布情況。在光學(xué)仿真軟件里的光線追跡圖如圖5(a)所示，經(jīng)追跡后的1 m處側(cè)墻上的輻照度分布如圖5(b)所示。從圖7中可看出，經(jīng)此初始結(jié)構(gòu)投射的光線照射在距燈1 m側(cè)墻上的時候，墻的上半部分出光分布并不均勻，有亮暗的條紋存在，且墻頂部的地方有暗區(qū)存在，同時墻面的中下部光分布不足，說明此光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化調(diào)整。

圖5 光學(xué)仿真Fig.5 Optical simulation

經(jīng)過幾輪在三維軟件里調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的模型，導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件里光學(xué)模擬后，最終得到一個比較滿意的光學(xué)仿真效果，如圖6所示。由圖6(a)和(b)可以看出，墻面從上到下光斑均勻，且墻頂部也被照亮。將6(c)配光曲線導(dǎo)入場景仿真照明軟件模擬后，得到圖7的光學(xué)仿真效果，仿真結(jié)果基于燈具安裝間距1 m，燈具距離墻面1 m，墻面高3 m，燈具18 W點亮?xí)r得到。

2 產(chǎn)品測試

經(jīng)過一系列的模具、加工、注塑成型等環(huán)節(jié)后，將此光學(xué)系統(tǒng)及燈具制作出來，如圖8所示。用臥式分布式光度計對此燈具進(jìn)行配光測試，實測的配光曲線圖如圖9所示。將此燈具在18 W時驅(qū)動點亮的情況下，得到的距離墻面為1 m，兩燈間距為1 m，天花距離地面為1 m的情況下，得到的實際燈具點亮效果圖如圖10所示。從圖中可以看出，此光學(xué)系統(tǒng)可以充分照射到安裝燈具墻頂部的暗區(qū)處，實現(xiàn)從上到下均勻的洗亮墻面，達(dá)到均勻的照明效果。

圖6 仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result

3 結(jié)束語

本文基于試錯法的設(shè)計原理，通過三維建模軟件建立本系統(tǒng)模型，導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件進(jìn)行蒙特卡羅光線追跡與仿真分析。設(shè)計了可實現(xiàn)均勻照明的洗墻光學(xué)系統(tǒng)，其由光源、反光杯、透鏡、透鏡支架.殼體組成。實測結(jié)果表明：此光學(xué)系統(tǒng)該系統(tǒng)不僅可以對墻角等暗處進(jìn)行充分補(bǔ)光，實現(xiàn)在兩燈安裝間距1 m，燈具距離墻面1 m的情況下，實現(xiàn)洗亮3 m高墻的光學(xué)效果，同時結(jié)構(gòu)簡單、成本經(jīng)濟(jì)、加工安裝方便，具有非常大的實用價值。

圖7 場景仿真照明軟件里仿真的光學(xué)系統(tǒng)洗墻照明效果Fig.7 Wall washing effect

圖8 本文設(shè)計的燈具及透鏡結(jié)構(gòu)實物圖Fig.8 The lamp and len designed

圖9 分布式光度計實測的配光曲線圖Fig.9 Light distribution measured by distributed photometers

圖10 燈具實際點亮的洗墻效果實景Fig.10 Wall washing reality effect