擴展光源遠場照明配光設計的研究

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直照明配光透鏡的設計?；邳c光源自由曲面準直照明方法設計了一款用于擴展光源準直照明配光透鏡。匹配光源為Cree公司的XHP50.2型，有效發光面為5mm×5mm。經過模擬軟件追跡仿真，最終得到在5m范圍內光束發散半角為±2.31°的準直照明光束。在減小擴展光源準直照明的光束發散半角，具有非常明顯的效果。

關鍵詞：光學設計;擴展光源;自由曲面;準直照明

中圖分類號：O439;TM923.34 ? ? ?文獻標識碼：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

發光二極管（Light Emitting Diode，LED）是一種能夠將電能轉化為光輻射的固態半導體光源。作為目前全球最受矚目的新一代光源，因其能效高、綠色環保、安全性能高等優點，被認為是本世紀最有發展前景的綠色照明光源。隨著社會的不斷進步和技術的迅猛發展，人們越來越關注我們賴以生存的環境，世界上大多數國家也充分認識到環境對經濟社會發展的重要性，各國都在采取積極措施來改善環境，減少污染。而半導體固態照明光源作為低排放、低能耗的節能新興產業，以其優良的應用特質，成為各國在節能減排目標中支撐經濟轉型發展的重要組成部分，被廣泛應用于不同照明領域。但在絕大多數場合，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二次光學設計[1，2]。

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

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

1 ?LED準直照明配光透鏡設計

1.1 ?光源的選定

在設計初始階段，首先需要選定光源，根據光源配光曲線控制光學系統光線的走向，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化擬合。本文所選光源為Cree公司的XHP50.2型，該光源有效發光面為5mm×5mm。結溫條件內額定功率下的發射光通量為1000lm。光源配光曲線準確無誤的擬合至關重要，配光曲線經MATLAB傅里葉函數擬合，可得：

假設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，收集點光源發出的平面角為2×θmax的立體角內的光線，經配光后可在照明距離為c的目標面上形成半徑與配光元件口徑大小相同的圓形區域準直照明光束。由于該配光系統關于z軸呈旋轉對稱結構，則可將問題簡化至二維zox平面內，如圖1所示。

依據點光源自由曲面準直照明設計方法，對擴展光源準直配光透鏡進行結構設計。設計參數為：光源距透鏡前表面距離a=63mm;配光元件中心厚度b=24mm;設計折射率為1.493;配光透鏡收集±60°以內的光線，前表面坐標采樣點為（x1，z1），后表面采樣點為（x2，z2）。角度離散間隔0.25°，對點光源進行準直照明二次光學設計，得到自由曲面透鏡離散數據點。

根據自由曲面構建技術，將透鏡前后的坐標數據點導入光學仿真軟件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

設置自由曲面配光透鏡材料屬性為PMMA，設置波長λ=550nm，對應的模擬折射率為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處設置一目標面，用以接收照度分布。設置屬性Perfect Absorber;設置追跡光線數目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的目標面上，其最高照度值為6171.6lx，相應的50%光強處半徑為202.93mm，其相應照明區域的平均照度值為5384.7lx，則50%光強的光束發散角為2.31°。

3 ?結 ?論

本文利用單自由曲面設計方法，實現了對LED出射光束的遠場照明配光透鏡的仿真設計。結果表明，對于5mm口徑圓形擴展光源，采用該方法設計的透鏡口徑為100mm的配光系統，可獲得光束發散半角為±2.31°的照度分布，因此，本文提出的單自由曲面配光方法，對于準直遠場照明提供理論依據，在準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設計介紹 [J].照明工程學報，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，嚴金華，等.LED準直器設計中復合拋物面同步多曲面方法 [J].光學學報，2012，32（9）：247-252.

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

[5] 羅曉霞，劉華，盧振武，等.實現LED準直照明的優化設計 [J].光子學報，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二次光學設計。