王未未

(江苏大学 机械工程学院,江苏 镇江　212013)

基于TIR结构LED准直透镜的设计与实现

王未未

(江苏大学 机械工程学院,江苏 镇江212013)

摘要介绍了一种LED自由曲面准直透镜的设计方法,并运用该方法设计了一款基于全内反射,结构的准直透镜。对初始结构不断进行逼近,最终得到准直透镜的模型。透镜外径为35 mm,总高为21.5 mm。透镜匹配Cree公司XPE光源进行计算机模拟,效率高达84.8%,K值高达125.8 cd/lm。模拟应用于35 W的探照灯时,在100 m远处形成一个直径为8 m的圆形光斑,光斑中心照度高达60 lux。透镜实际样品被制作出后,经过测试,实际透镜的光束角为3.2°。此款透镜被用于实际探照灯灯具中。

关键词TIR准直透镜;光学设计;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

近年来,由于发光二极管(Light Emitting Diode,LED)在光效、寿命、便携性、反应速度等各方面性能远胜于传统光源,全球各国在LED应用的研究和发展上投入了大量的财政和人力[1],LED得到了广泛应用。但LED属于朗伯发光体[2],直接应用于特定的场景照明时会造成光能浪费与光污染。当LED应用在聚光灯、探照灯时,就需要对LED进行准直设计。这种通过改变光源光强分布的方法称为二次配光。二次配光设计方法的研究历史较为久远,早期采用标准双曲线或者非球面作为光学面的透镜组来实现二次配光系统。随着人们对灯具的光学性能与便携性要求越来越高,自由曲面作为光学面的方法被提出[3-9]。自由曲面对于光线方向重排布有着更大的自由度。

本文结合作者实际设计经验,总结了一种自由曲面透镜的逼近理论设计方法,并设计了一款匹配Cree公司XPE光源的准直透镜。相对于文献[5~6]中设计的透镜,本文所设计的透镜针对实际LED准直时,具有更高的K值、更好的准直效果和更高的光学效率。另外,此款透镜结构匀称、外形美观;透镜没有尖锐的结构,有利于模具的制作与注塑生产;透镜设计时给定了模具的分模面,方便了透镜的加工,不会出现类似文献[6]中在TIR光学面上出现分模线的情况;透镜具有减胶孔结构,降低产品的成本,缩短注塑周期;最终模型还加入了定位结构,用来满足实际应用时的安装需要。本文在给出透镜准直仿真结果的同时,还给出了实际透镜产品的光学测试结果。

1设计方法

自由曲面透镜的设计方法主要有试错法和数学建模法。数学建模法一般是将光学设计问题转化为解相应的微分方程组的问题,所建立的方程组反映了光源与设计目标之间的特定映射关系,最终找到方程组的解析解,建立透镜模型[3-4]。试错法则是根据设计者的经验,选取产品的初始结构,经过反复调整,最终找到需要的透镜模型,设计过程如图1所示。试错法是较为常用的设计方法。行业内生产二次配光产品的生产厂商主要有芬兰的Ledil公司,国内雷迪克、百康光电等。

图1　试错法的设计过程

试错法适用于任何透镜的设计,无论透镜结构对称与否,也不管透镜匹配的是点光源还是面光源特性是目前微分方程解法望尘莫及的。试错法也存在缺点:试错法需反复变更产品结构;最终结构的合格与否主要依赖于设计经验。

试错法设计透镜精髓在于:试错设计并非盲目的试错,而是逼近的试错。本文所采用的试错逼近法,在构建TIR表面和自由曲面时简单明了,无需解微分方程,易于实现。这里的逼近试错法与二分逼近原理近似,此处用到的二分逼近不是绝对的二分,而是根据设计者的经验断定更接近最终值比例后调整逼近。准直透镜的设计是一个不断逼近最小角度的过程。

2TIR透镜基础建模

根据上文总结的设计方法,利用是试错法设计准直透镜,需要建立透镜的初始结构。根据灯具装配尺寸要求,结合作者设计经验,透镜旋转对称,建立一个旋转对称的全内反射TIR(Total Internal Reflection)灯杯型透镜初始结构时只需构建透镜自由曲面的轮廓线即可,如图2所示。透镜光学有效高度为20.2 mm,最大外径为35 mm。材料选用PMMA(Polymethyl Methacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯)。

图2　透镜轮廓线

透镜轮廓线包括7条直线,直线A~直线G;两条自由曲线:TIR轮廓线、模芯轮廓线。光源发出的光线被由点H和原点O构建的分界线K一分为二,一部分由TIR面反射后出射,另一部分通过模芯透射。TIR面作为准直透镜最重要的光学面,轮廓线是由N个点构造成的样条曲线。根据反射定律以及相关的计算得知,TIR轮廓线上各个点上的切向量才是影响光线出射方向的关键参数。曲线点数取的越多,逼近的最终效果越好,当然,随着点的增多,调整的复杂度也随之增加。为兼顾准直效果与设计效率,取6个点建立TIR轮廓线,除去两个端点之外,可调动的点为A~D点,直线E为平行于系统光轴的透镜旋转轴。将轮廓线进行旋转生成透镜实体模型。本文所用到的Cree公司的XPE光源是一款经典的LED光源。光源尺寸相对较大,整个封装为3.5 mm×3.5 mm,不能近似为点光源。为方便透镜与光源的装配,需要在透镜上加入柱脚,如图3所示,图中描述了带有柱脚的透镜与光源和PCB之间的装配关系。

图3　透镜与PCB装配关系示意图

3逼近纠正

3.1　XPE光源模拟

对初始结构进行光学模拟并分析模拟结果,初始结构并能对光源有效准直。依照上文中试错逼近设计方法流程,不断调整图2中TIR轮廓线上的点,直到找到准直透镜的最终模型。逼近调整过程相对繁琐。整理逼近过程中构成TIR轮廓线点的坐标,以及每次逼近调整后的光学数据,呈现在表1中。

表1　逼近过程设计的光学与结构数据

将最终准直透镜模型进行100 m探照灯照明模拟。光通量为4 389 lm的XPE-35 W探照灯在100 m远处形成了一个直径为8 m的圆形光斑,如图4所示,光斑中心照度高达60 lux,光斑图中横纵坐标代表接收屏的坐标,单位mm;右侧光强分布曲线图中,横坐标为接受面截面尺寸,单位mm,纵坐标代表照度值,单位lux。灯具光束角为4.2°,效率为84.7%,如图5所示,图中横坐标代表空间角度,单位为(°);纵坐标为灯具模拟光强值,单位为cd。透镜出射的光线符合准直状态,光学系统达到准直的效果。

图4　35 W探照灯在100 m远的光斑及光照度分布曲线

图5　35 W探照灯模拟配光曲线图

3.2　点光源模拟

为更直观地验证透镜的准直效果,继而对点光源,进行光学模拟,如图6所示。光线经过TIR面后的准直效果较好,而模芯位置出射的光线准直效果并不理想,这主要是因实际LED光源与点光源之间存在差异,这也说明在实际产品设计中不能用把实际光源近似为点光源。

图6　光线被透镜准直的示意图

4验证测试

经过模具制作与注塑生产,透镜被制作出来,如图7所示。通过与实际LED装配测试,验证了透镜的准直效果。实际光斑效果相对理想,如图8所示。测试生成的光学报告显示,该透镜光束角为3.2°,K值为122.5 cd/lm,如图9所示。此款透镜已经在舞台灯、探照灯、手电筒、汽车前照灯等照明灯具中应用。

图7　实际准直透镜照片

图8　实际光斑与光度分布仪接收器

图9　透镜实测配光曲线与光束角

5结束语

本文对试错法设计透镜逼近设计原理进行了总结,给出了准直透镜逼近设计过程,并成功设计了一款准直透镜。透镜外径为35 mm,总高为21.5 mm。该透镜应用于35 W的探照灯模拟时,在100 m远处形成一个直径为8 m的圆形光斑,光斑中心照度达60 lux,效率84.8%,K值125.8 cd/lm。为了验证实际透镜准直效果,透镜被制作出来。经过光学测试,实际透镜的光束角为3.2°,实测K值为122.5 cd/lm,实际透镜光束角内效率高达84.5%。相比于市场上准直透镜,此款透镜被用于实际探照灯灯具中,具有更高的K值、更好的准直效果和更高的光学效率。

此外,此款透镜结构匀称、外形美观;透镜没有尖锐的结构,有利于模具的制作与注塑生产;透镜设计时给定了模具的分模面,方便了透镜的加工;透镜具有减胶孔结构,降低产品的成本,缩短注塑周期。

参考文献

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作者简介:王未未(1989—),女,硕士研究生。研究方向:光学系统设计。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(11204107)

收稿日期:2015- 05- 18

中图分类号TN312+.8

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)01-005-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.01.002