姚海兵 劉啟隆 康自貴

摘 ?要：本文介紹了一種擴展光源自由曲面準(zhǔn)直照明配光透鏡的設(shè)計。基于點光源自由曲面準(zhǔn)直照明方法設(shè)計了一款用于擴展光源準(zhǔn)直照明配光透鏡。匹配光源為Cree公司的XHP50.2型，有效發(fā)光面為5mm×5mm。經(jīng)過模擬軟件追跡仿真，最終得到在5m范圍內(nèi)光束發(fā)散半角為±2.31°的準(zhǔn)直照明光束。在減小擴展光源準(zhǔn)直照明的光束發(fā)散半角，具有非常明顯的效果。

關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計;擴展光源;自由曲面;準(zhǔn)直照明

中圖分類號：O439;TM923.34 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）12-0031-03

Abstract：This paper introduces the design of a kind of collimating lens for extended light source. A light distribution lens for extended light source collimating illumination is designed based on free-form surface collimating illumination method of point light source. The matching light source is XHP50.2 of Cree company，and the effective luminous surface is 5mm×5mm. After tracing simulation software simulation，finally get half Angle of beam divergence is within the range of 5m and ±2.31°collimating light beam. It is very effective to reduce the half angle of beam divergence of collimated illumination.

Keywords：optical design;extended source;free-form surface;collimating lighting

0 ?引 ?言

發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為光輻射的固態(tài)半導(dǎo)體光源。作為目前全球最受矚目的新一代光源，因其能效高、綠色環(huán)保、安全性能高等優(yōu)點，被認(rèn)為是本世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色照明光源。隨著社會的不斷進步和技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們越來越關(guān)注我們賴以生存的環(huán)境，世界上大多數(shù)國家也充分認(rèn)識到環(huán)境對經(jīng)濟社會發(fā)展的重要性，各國都在采取積極措施來改善環(huán)境，減少污染。而半導(dǎo)體固態(tài)照明光源作為低排放、低能耗的節(jié)能新興產(chǎn)業(yè)，以其優(yōu)良的應(yīng)用特質(zhì)，成為各國在節(jié)能減排目標(biāo)中支撐經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于不同照明領(lǐng)域。但在絕大多數(shù)場合，LED燈珠直接輻射所形成的照度分布并不能滿足使用需求，為此需要對LED的空間光強分布進行重新分配，即LED二次光學(xué)設(shè)計[1，2]。

照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計大致可分為兩種：準(zhǔn)直照明和勻光照明。準(zhǔn)直照明，指的是把光源發(fā)出的光線或者大部分出射光線經(jīng)配光透鏡出射之后，形成一束尺寸接近于配光透鏡大小的平行光束。LED準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)，一般應(yīng)用于船照燈、激光整形等光學(xué)系統(tǒng)中。對于勻光照明，指的是光源發(fā)出的光線經(jīng)配光透鏡出射之后，在距離固定目標(biāo)面處得到一個照明區(qū)域光能分布相等，照明區(qū)域內(nèi)無明顯亮暗程度變化的硬邊照明效果。當(dāng)前，對于點光源的二次光學(xué)設(shè)計已相對成熟，而擴展光源的二次配光設(shè)計無論是在準(zhǔn)直照明還是勻光照明的配光設(shè)計，都是當(dāng)前研究的熱點和難點。目前，針對擴展光源自由曲面實現(xiàn)準(zhǔn)直照明的有效方法主要分為三種：同步多曲面法（SMS）、以點光源設(shè)計為基礎(chǔ)引入反饋優(yōu)化法、內(nèi)部全反射結(jié)構(gòu)（Tortal Internal Reflection，TIR）。同步多曲面法（SMS）[3]是一種基于面光源，運用非成像光學(xué)理論對透鏡的多個曲面同時設(shè)計計算，該方法對擴展光源的邊緣光線可以實現(xiàn)有效約束，而對于照明區(qū)域內(nèi)部光線的調(diào)控卻不足。在縮小光學(xué)尺寸方面，先使用復(fù)合拋物面法（CPC）將擴展光源的發(fā)散角控制在某一較小范圍內(nèi)，然后采用同步多曲面法（SMS）進行配光設(shè)計[4]。羅曉霞等人采用透射-全反射（TIR）組合結(jié)構(gòu)在ZEMAX的二次開發(fā)環(huán)境下實現(xiàn)了準(zhǔn)直照明[5]。

本文提出一種基于單自由曲面配光方法實現(xiàn)擴展光源準(zhǔn)直照明二次光學(xué)設(shè)計。本文以Cree公司CXB3590型LED集成光源進行準(zhǔn)直光束的配光設(shè)計，最后得到一款距離光源達5m，的LED準(zhǔn)直配光透鏡。

1 ?LED準(zhǔn)直照明配光透鏡設(shè)計

1.1 ?光源的選定

在設(shè)計初始階段，首先需要選定光源，根據(jù)光源配光曲線控制光學(xué)系統(tǒng)光線的走向，獲得想要的照明效果。因此，首先需要對光源配光曲線進行參數(shù)化擬合。本文所選光源為Cree公司的XHP50.2型，該光源有效發(fā)光面為5mm×5mm。結(jié)溫條件內(nèi)額定功率下的發(fā)射光通量為1000lm。光源配光曲線準(zhǔn)確無誤的擬合至關(guān)重要，配光曲線經(jīng)MATLAB傅里葉函數(shù)擬合，可得：

假設(shè)配光透鏡材料的折射率為n，透鏡前表面為平面，透鏡后表面為待求解自由曲面。點光源放置在坐標(biāo)原點o處，與透鏡前表面S1之距離為a，透鏡中心處的厚度為b，收集點光源發(fā)出的平面角為2×θmax的立體角內(nèi)的光線，經(jīng)配光后可在照明距離為c的目標(biāo)面上形成半徑與配光元件口徑大小相同的圓形區(qū)域準(zhǔn)直照明光束。由于該配光系統(tǒng)關(guān)于z軸呈旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)，則可將問題簡化至二維zox平面內(nèi)，如圖1所示。

依據(jù)點光源自由曲面準(zhǔn)直照明設(shè)計方法，對擴展光源準(zhǔn)直配光透鏡進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)計參數(shù)為：光源距透鏡前表面距離a=63mm;配光元件中心厚度b=24mm;設(shè)計折射率為1.493;配光透鏡收集±60°以內(nèi)的光線，前表面坐標(biāo)采樣點為（x1，z1），后表面采樣點為（x2，z2）。角度離散間隔0.25°，對點光源進行準(zhǔn)直照明二次光學(xué)設(shè)計，得到自由曲面透鏡離散數(shù)據(jù)點。

根據(jù)自由曲面構(gòu)建技術(shù)，將透鏡前后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)點導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件TracePro進行實體建模，得到3D實體模型，如圖2所示。從中可以得出，透鏡中心厚度為24mm，通光口徑為100mm，邊緣厚度約為3.2mm。

2 ?配光透鏡仿真分析

設(shè)置自由曲面配光透鏡材料屬性為PMMA，設(shè)置波長λ=550nm，對應(yīng)的模擬折射率為1.493;在原點處建立一半徑與真實光源相同的圓形表面光源（即擴展光源），光強分布符合實際光源所述的配光曲線，并且光源出射光通量為1000lm（參照實際輸出光通量）;在z=5000mm處設(shè)置一目標(biāo)面，用以接收照度分布。設(shè)置屬性Perfect Absorber;設(shè)置追跡光線數(shù)目100萬條，對配光元件照明效果進行仿真。模擬照明效果如圖3所示。

由圖3可知，在距離光源5000mm的目標(biāo)面上，其最高照度值為6171.6lx，相應(yīng)的50%光強處半徑為202.93mm，其相應(yīng)照明區(qū)域的平均照度值為5384.7lx，則50%光強的光束發(fā)散角為2.31°。

3 ?結(jié) ?論

本文利用單自由曲面設(shè)計方法，實現(xiàn)了對LED出射光束的遠(yuǎn)場照明配光透鏡的仿真設(shè)計。結(jié)果表明，對于5mm口徑圓形擴展光源，采用該方法設(shè)計的透鏡口徑為100mm的配光系統(tǒng)，可獲得光束發(fā)散半角為±2.31°的照度分布，因此，本文提出的單自由曲面配光方法，對于準(zhǔn)直遠(yuǎn)場照明提供理論依據(jù)，在準(zhǔn)直照明燈具等測量儀器方面具有重要意義。

參考文獻：

[1] 蔣金波，杜雪，李榮彬.LED路燈透鏡的二次光學(xué)設(shè)計介紹 [J].照明工程學(xué)報，2008，19（4）：59-65.

[2] Hui Xiong，Liu Jie，Wan Yunjia，et al. Realization of uniform and collimated light distribution in a single freeform-Fresnel double surface LED lens [J].Applied Optics，2017，56（15）：4561-4565.

[3] 張航，梁雪，嚴(yán)金華，等.LED準(zhǔn)直器設(shè)計中復(fù)合拋物面同步多曲面方法 [J].光學(xué)學(xué)報，2012，32（9）：247-252.

[4] 楊帆，何川，張旭升.一種主次鏡組合LED準(zhǔn)直照明系統(tǒng)設(shè)計與分析 [J].激光與光電子學(xué)進展，2018，55（8）：401-405.

[5] 羅曉霞，劉華，盧振武，等.實現(xiàn)LED準(zhǔn)直照明的優(yōu)化設(shè)計 [J].光子學(xué)報，2011，40（9）：1351-1355.

作者簡介：姚海兵（1991-），男，漢族，山西大同人，在讀碩士研究生，研究方向：LED二次光學(xué)設(shè)計。