姚海兵 康學(xué)亮 劉啟隆

【摘 要】介紹了一種擴(kuò)展光源自由曲面閱讀燈的配光設(shè)計(jì)，并運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)了一款基于折射率預(yù)補(bǔ)償方法的擴(kuò)展光源配光透鏡。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，得到有效照明區(qū)域平均照度值為850lx，照度均勻性為95.8%。將所設(shè)計(jì)的配光透鏡進(jìn)行實(shí)際加工，經(jīng)過測(cè)試，其照度均勻性高達(dá)96.1%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符。

【關(guān)鍵詞】擴(kuò)展光源;均勻照明;閱讀燈

中圖分類號(hào)： TN312.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）11-0029-002

【Abstract】This paper introduces the light distribution design of an extended light source free-form reading lamp， and USES this method to design an extended light source light distribution lens based on the refractive index pre-compensation method.The matching light source is XHP50.2 of Cree company，and the effective luminous surface is 5mm*5mm.After the simulation software tracking simulation，the average illumination value of the effective lighting area is 450lx，and the illumination uniformity is 95.8%.The illumination uniformity of the designed light distribution lens is up to 96.1% after practical processing，and the experimental results are basically consistent with the simulation results.

【Key words】Extended source;Uniform lighting;Reading light

0 引言

發(fā)光二極管（Light-emitting diode，LED）作為一種半導(dǎo)體光源，具有節(jié)能環(huán)保、響應(yīng)速度快、安全性高以及長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于不同照明領(lǐng)域。但在絕大多數(shù)場(chǎng)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(duì)LED的空間光強(qiáng)分布進(jìn)行重新分配，即LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)[1-5]。

開展對(duì)大尺寸LED光源進(jìn)行二次配光設(shè)計(jì)的研究具有科研價(jià)值和實(shí)際意義。自由曲面面對(duì)擴(kuò)展光源的勻光照明也是當(dāng)前LED二次配光設(shè)計(jì)的研究熱點(diǎn)。目前，針對(duì)擴(kuò)展光源自由曲面實(shí)現(xiàn)均勻配光的有效方法主要分為三種，同步多曲面（SMS）法、以點(diǎn)光源設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)引入反饋優(yōu)化法和點(diǎn)光源近似設(shè)計(jì)法。同步多曲面法（SMS）法是一種基于面光源，運(yùn)用非成像光學(xué)理論對(duì)透鏡的多個(gè)曲面同時(shí)設(shè)計(jì)計(jì)算，最先用于太陽(yáng)能集光器的設(shè)計(jì)，并于2004年由Benitez提出三維光學(xué)器件的設(shè)計(jì)[3]。其主要思想是依據(jù)波前的概念構(gòu)建光源發(fā)光特性和目標(biāo)面照明的兩組波前之間的光程關(guān)系，依據(jù)光程關(guān)系求解出自由曲面面型離散數(shù)據(jù)點(diǎn)。該方法對(duì)擴(kuò)展光源的邊緣光線可以實(shí)現(xiàn)有效約束，而對(duì)于照明區(qū)域內(nèi)部光線的調(diào)控卻不足。上海大學(xué)的吳仍茂等人采用該方法于2009年對(duì)大功率LED出射光實(shí)現(xiàn)定向控制的投射器，其光學(xué)效率達(dá)到91%以上[4];在縮小光學(xué)尺寸方面，先使用復(fù)合拋物面（CPC）法將擴(kuò)展光源的發(fā)散角控制在某一較小范圍內(nèi)，然后采用（SMS）法進(jìn)行配光設(shè)計(jì)。針對(duì)擴(kuò)展光源的自由曲面二次配光設(shè)計(jì)，研究人員提出一系列新的設(shè)計(jì)方法。在點(diǎn)光源二次光學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加入反饋優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展光源的勻光照明?？祵W(xué)亮等人提出的折射率預(yù)補(bǔ)償方法[5]，該方法的提出對(duì)于擴(kuò)展光源勻光照明二次光學(xué)設(shè)計(jì)問題得到完美解決。

本文基于折射率預(yù)補(bǔ)償方法，提出一款針對(duì)擴(kuò)展光源閱讀燈的配光設(shè)計(jì)實(shí)例。本章將以Cree公司XHP50.2型LED集成光源進(jìn)行閱讀燈的配光設(shè)計(jì)，最后得到一款可在直徑為360mm，有效照明區(qū)域平均照度達(dá)到850.38lx，均勻度達(dá)到95.4%的LED閱讀燈配光透鏡，并根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果加工了相應(yīng)的配光元件，進(jìn)行實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符。

1 LED閱讀燈配光設(shè)計(jì)

依據(jù)點(diǎn)光源自由曲面勻光照明設(shè)計(jì)方法，對(duì)擴(kuò)展光源閱讀燈配光透鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)參數(shù)為：光源距透鏡前表面距離a=6mm;配光元件中心厚度b=6mm;設(shè)計(jì)照明距離c=300mm;照明半徑R=175mm;配光透鏡收集LED±60°以內(nèi)的光線，角度離散間隔0.25°。根據(jù)折射率預(yù)補(bǔ)償原理，在設(shè)計(jì)配光元件中將設(shè)計(jì)折射率ndesign調(diào)整為其他的參數(shù)值，對(duì)點(diǎn)光源進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，得到設(shè)計(jì)折射率補(bǔ)償之后的自由曲面透鏡離散數(shù)據(jù)點(diǎn)。

將自由曲面透鏡前后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件TracePro進(jìn)行實(shí)體建模，得到3D實(shí)體模型，如圖1所示。從中可以得出，透鏡縱向高度6mm，通光口徑26.2mm，邊緣厚度約為3.2mm。

在軟件仿真初始階段，需建立閱讀燈配光系統(tǒng)模擬仿真環(huán)境。設(shè)置自由曲面配光透鏡材料屬性為PMMA，設(shè)置波長(zhǎng)λ=550nm，對(duì)應(yīng)的模擬折射率為1.493;在原點(diǎn)處建立一半徑與真實(shí)光源相同的圓形表面光源（即擴(kuò)展光源），光強(qiáng)分布符合本章第二節(jié)所述的配光曲線，并且光源出射光通量為180lm（參照實(shí)際輸出光通量）;在z=300mm處設(shè)置一目標(biāo)面，用以接受照度分布。設(shè)置屬性Perfect Absorber;設(shè)置追跡光線數(shù)目100萬條，對(duì)配光元件照明效果進(jìn)行仿真。

的透鏡照明模擬效果

圖2為通過折射率預(yù)補(bǔ)償（ndesign=1.430）的光學(xué)系統(tǒng)在目標(biāo)面上所形成的照度分布情況。從中我們可以看出目標(biāo)面上的照度均勻性很高。有效照明半徑約為138.62mm;有效照明區(qū)域的平均照度為850.38lx，根據(jù)ANSI均勻度測(cè)量法測(cè)得光照度均勻性為95.8%。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)透鏡是否可在閱讀燈照明系統(tǒng)中滿足實(shí)際照明要求，本文所述的配光元件樣品均委托深圳一家專業(yè)的快速成型光學(xué)手板公司代為加工，采用光學(xué)級(jí)PMMA作為透鏡加工模具材料，實(shí)際加工透鏡具體參數(shù)與仿真設(shè)計(jì)所述。

仔細(xì)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)裝置以后，點(diǎn)亮LED，得到的照度分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。以九點(diǎn)測(cè)量照度均勻性的實(shí)驗(yàn)方法經(jīng)照度計(jì)測(cè)量之后。經(jīng)測(cè)驗(yàn)，其照度均勻性高達(dá)96.1%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本相同，并符合實(shí)際照明要求。

3 小結(jié)

本文以LED閱讀燈光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為實(shí)例，采用CREE公司的XHP50.2作為實(shí)際光源，其有效發(fā)光面積為5mm×5mm，依據(jù)折射率預(yù)補(bǔ)償方法設(shè)計(jì)的配光透鏡，在固定目標(biāo)面實(shí)現(xiàn)有效照明半徑為138.62mm，有效照明區(qū)域平均照度為850.38lx，光斑均勻性達(dá)95.4%的良好照明效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曹永健，董建宇，楊雨龍，等.不間斷供電的LED路燈智能控制與管理系統(tǒng)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2019（02）：67-70.

[2]康學(xué)亮，姚海兵，劉啟隆，等.LED配光透鏡吸收損耗的建模與計(jì)算[J].江蘇科技信息，2018，35（35）：31-34.

[3]Mi？觡ano J C，Benítez P，Lin W，et al.An application of the SMS method for imaging designs[J].Optics Express，2009，17（26）： 24036-24044.

[4]吳仍茂，屠大維，黃志華.一種實(shí)現(xiàn)大功率LED均勻照明的投射器設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué)，2009，30（03）：372-376.

[5]康學(xué)亮，姚海兵，劉啟隆，等.基于折射率預(yù)補(bǔ)償方法的擴(kuò)展光源勻光照明二次光學(xué)設(shè)計(jì)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2019，56（15）：152202.

※基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11564001）;北方民族大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（YCX18072）。

作者簡(jiǎn)介：姚海兵（1991—），男，山西人，碩士研究生，研究方向：LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)。