王未未

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江　212013)

基于TIR結(jié)構(gòu)LED準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王未未

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要介紹了一種LED自由曲面準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)方法,并運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)了一款基于全內(nèi)反射,結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)直透鏡。對初始結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行逼近,最終得到準(zhǔn)直透鏡的模型。透鏡外徑為35 mm,總高為21.5 mm。透鏡匹配Cree公司XPE光源進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬,效率高達(dá)84.8%,K值高達(dá)125.8 cd/lm。模擬應(yīng)用于35 W的探照燈時(shí),在100 m遠(yuǎn)處形成一個(gè)直徑為8 m的圓形光斑,光斑中心照度高達(dá)60 lux。透鏡實(shí)際樣品被制作出后,經(jīng)過測試,實(shí)際透鏡的光束角為3.2°。此款透鏡被用于實(shí)際探照燈燈具中。

關(guān)鍵詞TIR準(zhǔn)直透鏡;光學(xué)設(shè)計(jì);自由曲面;TracePro

Design and Application of LED Collimating Lens Based on TIR

WANG Weiwei

(School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

AbstractA design method for collimating LED lens with free surface is introduced and a practical collimating lens with the method based on TIR (Total Internal Reflection) is designed by approximating for the final 3D model successfully.The maximum diameter of the lens is 1 mm with a height of 2 mm.Computer simulation with the lens matched with CREE -XPE shows an efficiency of 84.8% and aKvalue of 125.8 cd/lm.With the lens applied to 35 W searchlight,a spot of a diameter of 8 m results with the spot center illumination up to 60 lux 100 m away 3.2°.Tests on the fabricated collimation lens show a beam angle of.The lens is used in the actual searchlights.

KeywordsTIR collimating lens;optical design;freeform surface;TracePro

近年來,由于發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)在光效、壽命、便攜性、反應(yīng)速度等各方面性能遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)光源,全球各國在LED應(yīng)用的研究和發(fā)展上投入了大量的財(cái)政和人力[1],LED得到了廣泛應(yīng)用。但LED屬于朗伯發(fā)光體[2],直接應(yīng)用于特定的場景照明時(shí)會造成光能浪費(fèi)與光污染。當(dāng)LED應(yīng)用在聚光燈、探照燈時(shí),就需要對LED進(jìn)行準(zhǔn)直設(shè)計(jì)。這種通過改變光源光強(qiáng)分布的方法稱為二次配光。二次配光設(shè)計(jì)方法的研究歷史較為久遠(yuǎn),早期采用標(biāo)準(zhǔn)雙曲線或者非球面作為光學(xué)面的透鏡組來實(shí)現(xiàn)二次配光系統(tǒng)。隨著人們對燈具的光學(xué)性能與便攜性要求越來越高,自由曲面作為光學(xué)面的方法被提出[3-9]。自由曲面對于光線方向重排布有著更大的自由度。

本文結(jié)合作者實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),總結(jié)了一種自由曲面透鏡的逼近理論設(shè)計(jì)方法,并設(shè)計(jì)了一款匹配Cree公司XPE光源的準(zhǔn)直透鏡。相對于文獻(xiàn)[5~6]中設(shè)計(jì)的透鏡,本文所設(shè)計(jì)的透鏡針對實(shí)際LED準(zhǔn)直時(shí),具有更高的K值、更好的準(zhǔn)直效果和更高的光學(xué)效率。另外,此款透鏡結(jié)構(gòu)勻稱、外形美觀;透鏡沒有尖銳的結(jié)構(gòu),有利于模具的制作與注塑生產(chǎn);透鏡設(shè)計(jì)時(shí)給定了模具的分模面,方便了透鏡的加工,不會出現(xiàn)類似文獻(xiàn)[6]中在TIR光學(xué)面上出現(xiàn)分模線的情況;透鏡具有減膠孔結(jié)構(gòu),降低產(chǎn)品的成本,縮短注塑周期;最終模型還加入了定位結(jié)構(gòu),用來滿足實(shí)際應(yīng)用時(shí)的安裝需要。本文在給出透鏡準(zhǔn)直仿真結(jié)果的同時(shí),還給出了實(shí)際透鏡產(chǎn)品的光學(xué)測試結(jié)果。

1設(shè)計(jì)方法

自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法主要有試錯(cuò)法和數(shù)學(xué)建模法。數(shù)學(xué)建模法一般是將光學(xué)設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化為解相應(yīng)的微分方程組的問題,所建立的方程組反映了光源與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的特定映射關(guān)系,最終找到方程組的解析解,建立透鏡模型[3-4]。試錯(cuò)法則是根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn),選取產(chǎn)品的初始結(jié)構(gòu),經(jīng)過反復(fù)調(diào)整,最終找到需要的透鏡模型,設(shè)計(jì)過程如圖1所示。試錯(cuò)法是較為常用的設(shè)計(jì)方法。行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)二次配光產(chǎn)品的生產(chǎn)廠商主要有芬蘭的Ledil公司,國內(nèi)雷迪克、百康光電等。

圖1　試錯(cuò)法的設(shè)計(jì)過程

試錯(cuò)法適用于任何透鏡的設(shè)計(jì),無論透鏡結(jié)構(gòu)對稱與否,也不管透鏡匹配的是點(diǎn)光源還是面光源特性是目前微分方程解法望塵莫及的。試錯(cuò)法也存在缺點(diǎn):試錯(cuò)法需反復(fù)變更產(chǎn)品結(jié)構(gòu);最終結(jié)構(gòu)的合格與否主要依賴于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

試錯(cuò)法設(shè)計(jì)透鏡精髓在于:試錯(cuò)設(shè)計(jì)并非盲目的試錯(cuò),而是逼近的試錯(cuò)。本文所采用的試錯(cuò)逼近法,在構(gòu)建TIR表面和自由曲面時(shí)簡單明了,無需解微分方程,易于實(shí)現(xiàn)。這里的逼近試錯(cuò)法與二分逼近原理近似,此處用到的二分逼近不是絕對的二分,而是根據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)斷定更接近最終值比例后調(diào)整逼近。準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷逼近最小角度的過程。

2TIR透鏡基礎(chǔ)建模

根據(jù)上文總結(jié)的設(shè)計(jì)方法,利用是試錯(cuò)法設(shè)計(jì)準(zhǔn)直透鏡,需要建立透鏡的初始結(jié)構(gòu)。根據(jù)燈具裝配尺寸要求,結(jié)合作者設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),透鏡旋轉(zhuǎn)對稱,建立一個(gè)旋轉(zhuǎn)對稱的全內(nèi)反射TIR(Total Internal Reflection)燈杯型透鏡初始結(jié)構(gòu)時(shí)只需構(gòu)建透鏡自由曲面的輪廓線即可,如圖2所示。透鏡光學(xué)有效高度為20.2 mm,最大外徑為35 mm。材料選用PMMA(Polymethyl Methacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)。

圖2　透鏡輪廓線

透鏡輪廓線包括7條直線,直線A~直線G;兩條自由曲線:TIR輪廓線、模芯輪廓線。光源發(fā)出的光線被由點(diǎn)H和原點(diǎn)O構(gòu)建的分界線K一分為二,一部分由TIR面反射后出射,另一部分通過模芯透射。TIR面作為準(zhǔn)直透鏡最重要的光學(xué)面,輪廓線是由N個(gè)點(diǎn)構(gòu)造成的樣條曲線。根據(jù)反射定律以及相關(guān)的計(jì)算得知,TIR輪廓線上各個(gè)點(diǎn)上的切向量才是影響光線出射方向的關(guān)鍵參數(shù)。曲線點(diǎn)數(shù)取的越多,逼近的最終效果越好,當(dāng)然,隨著點(diǎn)的增多,調(diào)整的復(fù)雜度也隨之增加。為兼顧準(zhǔn)直效果與設(shè)計(jì)效率,取6個(gè)點(diǎn)建立TIR輪廓線,除去兩個(gè)端點(diǎn)之外,可調(diào)動的點(diǎn)為A~D點(diǎn),直線E為平行于系統(tǒng)光軸的透鏡旋轉(zhuǎn)軸。將輪廓線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)生成透鏡實(shí)體模型。本文所用到的Cree公司的XPE光源是一款經(jīng)典的LED光源。光源尺寸相對較大,整個(gè)封裝為3.5 mm×3.5 mm,不能近似為點(diǎn)光源。為方便透鏡與光源的裝配,需要在透鏡上加入柱腳,如圖3所示,圖中描述了帶有柱腳的透鏡與光源和PCB之間的裝配關(guān)系。

圖3　透鏡與PCB裝配關(guān)系示意圖

3逼近糾正

3.1　XPE光源模擬

對初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行光學(xué)模擬并分析模擬結(jié)果,初始結(jié)構(gòu)并能對光源有效準(zhǔn)直。依照上文中試錯(cuò)逼近設(shè)計(jì)方法流程,不斷調(diào)整圖2中TIR輪廓線上的點(diǎn),直到找到準(zhǔn)直透鏡的最終模型。逼近調(diào)整過程相對繁瑣。整理逼近過程中構(gòu)成TIR輪廓線點(diǎn)的坐標(biāo),以及每次逼近調(diào)整后的光學(xué)數(shù)據(jù),呈現(xiàn)在表1中。

表1　逼近過程設(shè)計(jì)的光學(xué)與結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

將最終準(zhǔn)直透鏡模型進(jìn)行100 m探照燈照明模擬。光通量為4 389 lm的XPE-35 W探照燈在100 m遠(yuǎn)處形成了一個(gè)直徑為8 m的圓形光斑,如圖4所示,光斑中心照度高達(dá)60 lux,光斑圖中橫縱坐標(biāo)代表接收屏的坐標(biāo),單位mm;右側(cè)光強(qiáng)分布曲線圖中,橫坐標(biāo)為接受面截面尺寸,單位mm,縱坐標(biāo)代表照度值,單位lux。燈具光束角為4.2°,效率為84.7%,如圖5所示,圖中橫坐標(biāo)代表空間角度,單位為(°);縱坐標(biāo)為燈具模擬光強(qiáng)值,單位為cd。透鏡出射的光線符合準(zhǔn)直狀態(tài),光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)直的效果。

圖4　35 W探照燈在100 m遠(yuǎn)的光斑及光照度分布曲線

圖5　35 W探照燈模擬配光曲線圖

3.2　點(diǎn)光源模擬

為更直觀地驗(yàn)證透鏡的準(zhǔn)直效果,繼而對點(diǎn)光源,進(jìn)行光學(xué)模擬,如圖6所示。光線經(jīng)過TIR面后的準(zhǔn)直效果較好,而模芯位置出射的光線準(zhǔn)直效果并不理想,這主要是因?qū)嶋HLED光源與點(diǎn)光源之間存在差異,這也說明在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不能用把實(shí)際光源近似為點(diǎn)光源。

圖6　光線被透鏡準(zhǔn)直的示意圖

4驗(yàn)證測試

經(jīng)過模具制作與注塑生產(chǎn),透鏡被制作出來,如圖7所示。通過與實(shí)際LED裝配測試,驗(yàn)證了透鏡的準(zhǔn)直效果。實(shí)際光斑效果相對理想,如圖8所示。測試生成的光學(xué)報(bào)告顯示,該透鏡光束角為3.2°,K值為122.5 cd/lm,如圖9所示。此款透鏡已經(jīng)在舞臺燈、探照燈、手電筒、汽車前照燈等照明燈具中應(yīng)用。

圖7　實(shí)際準(zhǔn)直透鏡照片

圖8　實(shí)際光斑與光度分布儀接收器

圖9　透鏡實(shí)測配光曲線與光束角

5結(jié)束語

本文對試錯(cuò)法設(shè)計(jì)透鏡逼近設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了總結(jié),給出了準(zhǔn)直透鏡逼近設(shè)計(jì)過程,并成功設(shè)計(jì)了一款準(zhǔn)直透鏡。透鏡外徑為35 mm,總高為21.5 mm。該透鏡應(yīng)用于35 W的探照燈模擬時(shí),在100 m遠(yuǎn)處形成一個(gè)直徑為8 m的圓形光斑,光斑中心照度達(dá)60 lux,效率84.8%,K值125.8 cd/lm。為了驗(yàn)證實(shí)際透鏡準(zhǔn)直效果,透鏡被制作出來。經(jīng)過光學(xué)測試,實(shí)際透鏡的光束角為3.2°,實(shí)測K值為122.5 cd/lm,實(shí)際透鏡光束角內(nèi)效率高達(dá)84.5%。相比于市場上準(zhǔn)直透鏡,此款透鏡被用于實(shí)際探照燈燈具中,具有更高的K值、更好的準(zhǔn)直效果和更高的光學(xué)效率。

此外,此款透鏡結(jié)構(gòu)勻稱、外形美觀;透鏡沒有尖銳的結(jié)構(gòu),有利于模具的制作與注塑生產(chǎn);透鏡設(shè)計(jì)時(shí)給定了模具的分模面,方便了透鏡的加工;透鏡具有減膠孔結(jié)構(gòu),降低產(chǎn)品的成本,縮短注塑周期。

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作者簡介:王未未(1989—),女,碩士研究生。研究方向:光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11204107)

收稿日期:2015- 05- 18

中圖分類號TN312+.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)01-005-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.002