基于LED光源的TIR透鏡設(shè)計

黃煊 李祥陽 羅芳琳

【摘 要】為了提高LED燈具的發(fā)光效率和照明系統(tǒng)的光能利用率，本文研究了一種基于自由曲面的能對光源進行準直的TIR透鏡設(shè)計，使用Lighttools軟件設(shè)計了一個全內(nèi)反射透鏡模型，通過對透鏡曲面的參數(shù)進行優(yōu)化，達到效果最佳的出光效果。

【關(guān)鍵詞】LED;TIR透鏡;優(yōu)化

1.引言

1.1 LED的發(fā)展背景

近年來，各個國家和行業(yè)都花費了大量的人力、財力資源在發(fā)光二極管及其燈具的研究和發(fā)展應(yīng)用上。與傳統(tǒng)的光源相比，LED作為第四代照明光源和綠色光源，它具有效率高、節(jié)能環(huán)保、壽命長、可靠性強等優(yōu)點、廣泛應(yīng)用于各種指示器件、顯示器件、裝飾器件、戶外照明器件、背光板等領(lǐng)域。大功率LED是第四代光源的代表，普通大功率LED發(fā)光效率很高，是白熾燈的八倍，熒光燈的兩倍多，這就意味著在滿足相同的光照時可以節(jié)約大量的電能，降低了耗能成本。

1.2 研究背景

實際生活中，LED發(fā)光亮度比較低，并且發(fā)散角比較大，一般不能直接用于光學(xué)系統(tǒng)中，而是經(jīng)過二次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，也就是經(jīng)過一個TIR透鏡匯聚并準直后，才能應(yīng)用于照明器件中。由于TIR透鏡具有減小光束發(fā)散角度實現(xiàn)準直的作用，所以它在實際應(yīng)用中的用處很大。在微型投影系統(tǒng)中，TIR透鏡結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是關(guān)鍵，它的光束收集整形能力從很大程度上決定了系統(tǒng)的光能利用率和均勻度。在LED微型投影儀照明系統(tǒng)中，以系統(tǒng)光能利用率和照明均勻性構(gòu)建評價函數(shù)，采用光纖追跡和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合的方法，對TIR透鏡進行優(yōu)化設(shè)計，將大角度擴展光束壓縮到小角度范圍以內(nèi)，并且使得投影屏幕達到一定的照明均勻性。

2.結(jié)構(gòu)原理

TIR透鏡的設(shè)計基于全內(nèi)反射的原理，透鏡由4部分組成，中間內(nèi)凹的非球面柱面鏡部分、側(cè)面的全反射棱鏡部分、兩端的全反射棱鏡部分、以及上表面“W”型的自由曲面組成。透鏡將郎伯型LED的光配成沿X方向120°（水平方向）以及Y方向60°（垂直方向）的光度分布。透鏡的設(shè)計遵循“邊緣光線原理”，即在X方向，輸出光線的邊緣光線的與光軸的夾角為±60°，其他所有的輸出光線都分布在這一角度之內(nèi)，在Y方向，輸出光線的邊緣光線的角度為±30°。

沿Y方向的配光時，從LED發(fā)出的中間部分的光，由內(nèi)凹的柱面鏡進行會聚，會聚后所有輸出光線的反向延長線交于一虛焦點“F”，“F”與柱面鏡邊緣組成的這部分光線，再經(jīng)過上表面之后，分布在角度±30°之內(nèi)。剩下從LED發(fā)出的往側(cè)面部分的光，則由側(cè)面的全反射棱鏡進行配光。經(jīng)入射面入射到外側(cè)全反射面的光線，從下到上，其反射角是漸變的，再經(jīng)過上面的輸出面折射之后，這部分光也分布均勻在±30°之內(nèi)。沿X方向的配光時的，內(nèi)凹的柱面鏡覆蓋了從LED發(fā)出的中間部分的±76°之內(nèi)的光線，上表面“W”形狀的曲面將這部分的光線均勻分配在發(fā)散角為±60°之內(nèi)，并形成一個蝙蝠翼的配光曲線分布。透鏡兩端各有一全反射棱鏡，用來起截光的作用，收集剩下從LED發(fā)出的±76°～90°的光，經(jīng)過透鏡兩端外側(cè)的全反射面反射和上表面“W”曲面的折射之后，重新分布在光束角±30°之內(nèi)。兩部分的光疊加一起后形成一光束角為±60°的光度分布。

3.設(shè)計與分析

3.1 三維模型的設(shè)計與優(yōu)化

本文采用Lighttools軟件對TIR透鏡進行建模。使用的光源是Cree公司XLamp CB-D系列的XBDAWT-CW_Aug2012模型的LED，用軟件的布爾物體運算對模型進行修整，完成三維模型后，將實體中兩個透鏡的面型作為優(yōu)化變量，并添加準直評價函數(shù)，以實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的準直效果。自動優(yōu)化完成后，為使光線進一步地準直，可以適當調(diào)整透鏡的曲面半徑，進行二次手動優(yōu)化。此時對設(shè)計好的TIR透鏡進行光線追跡，發(fā)現(xiàn)光束已經(jīng)比較好地實現(xiàn)了準直，如圖一所示。

3.2分析

仿真實驗表明，透鏡的曲面半徑越大，光線發(fā)散的角度越大，曲面半徑越小，光線會聚的作用越明顯，實際中應(yīng)該權(quán)衡會聚和發(fā)散的作用，使光線盡可能地準直。此時觀察光線追跡的光強分布和發(fā)光角度，光斑的強度分布比較均勻，能量集中。而且發(fā)光角度也從原來的120°限制在了比較小的角度內(nèi)，而且透鏡出射的光線已經(jīng)明顯實現(xiàn)了準直，總體目標基本達到，如圖二所示。

4.總結(jié)

LED是順應(yīng)時代發(fā)展的新型光源，自帶許多優(yōu)越的特性，LED的應(yīng)用范圍得以不斷拓寬。但是LED也有自身的局限性：發(fā)光角度大，能量利用率低，因此實際應(yīng)用中往往要配合這二次光學(xué)器件進行使用。本文用Lighttools軟件設(shè)計了一個基于LED的TIR全內(nèi)反射透鏡，目的是實現(xiàn)減小發(fā)散角，實現(xiàn)光束準直，提高能量利用率。并且利用Lighttools軟件自帶的優(yōu)化系統(tǒng)，添加準直優(yōu)化函數(shù)，對全內(nèi)反射透鏡的曲面進行優(yōu)化使得光線會聚準直，然后通過手動優(yōu)化，即通過修改自由曲面的曲率半徑，進一步提高準直效果，從而完成出強度分布比較均勻，光束發(fā)散角減小到±15°，能量利用率達到百分之90以上的TIR全內(nèi)反射透鏡的設(shè)計。

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作者簡介：黃煊（1998—），男，漢族，廣西梧州人，江蘇大學(xué)本科就讀，光學(xué)工程方向。李祥陽（1998—），女，漢族，甘肅寧縣人，江蘇大學(xué)本科就讀，光學(xué)工程方向。羅芳琳（1998—），女，漢族，福建龍巖人，江蘇大學(xué)本科就讀，光學(xué)工程方向。

科研項目：江蘇大學(xué)第十七批大學(xué)生科研立項一般項目，項目編號：Y17A059.