王勇恒

(廣東三雄極光照明股份有限公司，廣東 廣州 511495)

引言

作為新一代照明光源，LED相比于傳統(tǒng)電光源，優(yōu)點眾多，但LED芯片的發(fā)光光強隨著發(fā)光角呈現(xiàn)余弦分布，在眾多的照明場景中，不能滿足照明需求，需根據(jù)要求進行二次光學設計，對LED光強再分布[1]。

現(xiàn)代洗墻燈一般運用LED的條形光斑特性，朝向建筑物所需照明區(qū)域，亮化照明美化環(huán)境。傳統(tǒng)洗墻燈采用全內(nèi)反射(Total Internal Reflection，TIR)透鏡配光[2]，控光效率高，但LED芯片發(fā)光經(jīng)透鏡后會造成約10%～12%光通效率損失，且透鏡折射照明區(qū)域光線還會出現(xiàn)色差。有些設計者對透鏡出光面進行磨砂或曬紋處理，達到混光減少色差效果，但又分散光線增大副光斑，使光線利用率低，進一步損失部分的光通量，導致與建筑物體相對一側(cè)光照不均勻且存在眩光，洗墻燈具出光口靠近墻面處產(chǎn)生波浪光照，影響裝飾效果[3]。

為解決洗墻燈以上問題，本文提出反光杯和菲涅爾透鏡組合的光學器件[4]設計思路，運用反光杯控制LED芯片120°大立體角范圍的光能量，讓其直接反射到照明區(qū)域，避免經(jīng)透鏡的出光損失；采用菲涅爾透鏡控制LED芯片120°內(nèi)小立體角部分光能量，控制未被反光杯反射而導致的副光斑，使整個光學器件實現(xiàn)全方位控光，高效利用光通量。這兩部分光在照明區(qū)域疊加，獲得洗墻燈所需均勻條形光斑，解決在同電氣和同結(jié)構(gòu)條件下，使用傳統(tǒng)TIR條紋透鏡的洗墻燈具，不能同時達到所需的光束角和80%出光效率問題。

1 設計要求和思路

1.1 洗墻燈單顆LED光學器件設計要求

洗墻燈內(nèi)部是由若干單顆LED光學器件組成，要求每個LED光學器件的配光平面照射效果符合條形光斑，光通量均勻疊加。以滿足被照區(qū)域(側(cè)洗墻面)由燈體發(fā)光面到遠處均勻過渡，燈具整體尺寸需要限制在寬×高=48 mm×41 mm以內(nèi)。具體單顆LED光學器件設計要求如下：

1)LED光源：CREE-3535 XTE-HE-WW；

2)光通利用率：大于80%；

3)實測光效：大于85 lm/W；

4)光束角(50%Imax)： [C0/180]Total=10°±3°，[C90/270]Total=60°± 5°；

5)光學器件材料：光學塑料PC(聚碳酸酯，Polycarbonate)；

6)光學器件尺寸：長×寬×高=22 mm×22 mm×14 mm以內(nèi)。

1.2 設計思路

整體洗墻燈具由若干個單顆LED光學器件組裝而成，單顆LED光學器件出光如圖1所示，具體結(jié)構(gòu)采用Tracepro模擬計算得出。

A—菲涅爾透鏡，B—反光杯，C—LED芯片，D—散熱鋁基板圖1 單顆LED出光示意圖Fig.1 Ligt output of single LED

單顆LED光學器件設計采用復合拋物面反光杯與菲涅爾透鏡的結(jié)合方式，復合拋物面反光杯反射截面曲線輪廓為二次拋物曲線方程，LED芯片放置在二次拋物曲線方程所對應的焦點處，使LED芯片發(fā)出的光線經(jīng)過復合拋物面反光杯后達到最佳準直效果。復合拋物面反光杯內(nèi)表面附有四邊形鱗甲結(jié)構(gòu)，控制每層鱗甲大小和鱗甲面弧度，可以有效混光，使光斑照明效果更佳均勻。菲涅爾透鏡上表面結(jié)構(gòu)為棱鏡條紋，下表面為柱狀條紋，放置LED芯片處于菲涅爾透鏡焦點處，使經(jīng)過菲涅爾。根據(jù)LED光學器件的大小計算菲涅爾透鏡的寬度大小，使反光杯準直光線不受遮擋，整個LED光學器件單元出光效率最大。

2 單顆LED光學器件設計

由于洗墻燈照明應用需為長條形光斑，那么對應的光束角則是關于通過中心軸的兩個相互垂直面([C0/180]面和[C90/270]面)各自對稱，如圖2所示。

圖2 三維極坐標分布Fig.2 3D polar distribution

2.1 復合拋物面反光杯設計[5]

設置[C0/180]面為10°出光面，根據(jù)二次拋物線方程x2=4fy，可得光源位置放在拋物線焦點處，光線經(jīng)過二次拋物曲線反光面后準直出射，[C0/180]面內(nèi)的光束角達到最小10°。運用Tracepro軟件自帶的反射器函數(shù)計算功能菜單插入二次曲線反射器，并將二次曲線反射器表面設置為完全鏡面反射，如圖3所示。將得到的二次曲線反射器導入3D軟件Proe中優(yōu)化結(jié)構(gòu)；設置[C90/270]面為60°出光面，由3D軟件Proe繪制自由曲線得到[C90/270]面的反光面，再導入Tracepro軟件進行模擬與分析，并附上四邊形鱗甲用于混光。在3D軟件Proe中優(yōu)化得到最終反光杯結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中A面結(jié)構(gòu)為[C0/180]面10°光束角控光面，B面結(jié)構(gòu)為[C90/270]面60°光束角控光面。

圖3 二次曲線反射器表面屬性設置Fig.3 Surface property setting for a quadratic curve reflector

圖4 最終反光杯結(jié)構(gòu)Fig.4 Final structure of reflective cup

2.2 菲涅爾透鏡設計[6]

運用Tracepro軟件自帶的幾何體函數(shù)計算功能菜單插入菲涅爾透鏡，并將菲涅爾透鏡材質(zhì)設置為PC(聚碳酸酯，Polycarbonate)，如圖5所示。將得到的菲涅爾透鏡導入3D軟件Proe中優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其中圖6中C面結(jié)構(gòu)采用菲涅爾透鏡準直原理，控制[C0/180]面10°光束角的光線；D面結(jié)構(gòu)采用半圓柱條紋混光原理，控制為[C90/270]面60°光束角的光線。

圖5 菲涅爾透鏡材質(zhì)屬性設置Fig.5 Material property settings of Fresnel lens

圖6 菲涅爾控光設計原理Fig.6 Design principle of Fresnel light control

2.3 單顆LED組裝與光學效果模擬[7]

將優(yōu)化結(jié)構(gòu)的LED光學組裝器件(圖7)導入Tracepro軟件中，設置單個LED光源文件和模擬追擊的光線數(shù)為300萬條，透鏡的材質(zhì)和反光杯的反光鏡面，LED光學器件模擬照明系統(tǒng)光線追跡結(jié)果如圖8所示。

圖7 LED光學器件結(jié)構(gòu)爆炸圖和整體組裝圖Fig.7 The structure and overall assembly of LED optical device

圖8 LED光學器件模擬照明系統(tǒng)光線追跡結(jié)果圖Fig.8 Light tracing results of the simulation lighting system for LED optical device

經(jīng)過光學軟件Tracepro模擬，單顆LED條形光斑照度黑白圖a、LED條形光斑照度彩色圖b、配光曲線極坐標系圖c、配光曲線直角坐標系圖d，分別如表1所示。

表1 光學軟件Tracepro模擬結(jié)果

模擬結(jié)果分析：光通利用率為81.475%(大于80%)；光斑形狀為長條形，且光束角(50%Imax)： [C0/180]Total=11°，[C90/270]Total=62°，滿足洗墻燈單顆LED光學器件設計要求。

3 照明系統(tǒng)實際樣品與測試及結(jié)果分析

1)單顆LED光學組裝器件實際樣品模型。根據(jù)優(yōu)化LED光學組裝器件3D模型制作實物樣品，如圖9所示。

圖9 單顆LED光學組裝器件實物樣品圖Fig.9 Physical samples of optical assembly devices for single LED

2)洗墻燈實際樣品測試。用單顆LED光學器件組裝一個額定功率為20 W的洗墻燈如圖10所示。在照明應用中，光束角為10°×60°且功率為20 W的洗墻燈在5 m處光斑的平均照度需大于140 lx。利用光度分布計進行實際樣品測試，并將本文復合拋物面反光杯和菲涅爾透鏡組合的洗墻燈光學方案與傳統(tǒng)TIR透鏡方案實測數(shù)據(jù)對比分析。本文復合拋物面反光杯和菲涅爾透鏡組合的洗墻燈試測試結(jié)果如圖11所示，20 W洗墻燈光效為89.76 lm/W，光束角為12.4°×61.6°，且在5 m處光斑的平均照度需大于140 lx，設計結(jié)果數(shù)據(jù)對比如表2所示。

圖10 洗墻燈整燈照片F(xiàn)ig.10 The wall wash lamp

表2 本文光學器件方案與傳統(tǒng)TIR透鏡方案優(yōu)勢對比表

4 總結(jié)

本文提出一種基于復合拋物面反光杯和菲涅爾透鏡組合的LED條形光斑光學器件設計，應用反射定律和折射定律結(jié)合的設計理念，使得設計出的洗墻燈光束角(50%Imax)達到[C0/180]面為12.4°和[C90/270]面為61.6°的條形光斑照明效果(因理想模型與物存在誤差，允許角度偏差正負3°)。設計的20 W洗墻燈具在5 m遠處平均照度可達141.6 lx，較使用傳統(tǒng)TIR條紋透鏡的洗墻燈具提高了43.3%；整燈光效可達89.76 lm/W，較傳統(tǒng)TIR條紋透鏡的洗墻燈具提高了26.4%，較好地解決了傳統(tǒng)TIR條紋透鏡副光斑大、光線利用低、洗墻照射距離短、燈具眩光等問題。

圖11 洗墻燈實際樣品測試結(jié)果圖Fig.11 Test results of actual samples of wall wash lamp