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第３７卷 第６期２０１５年１２月光 学 仪 器ＯＰＴＩＣＡＬＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳＶｏｌ．３７，Ｎｏ．６Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１５ 文章编号：１００５５６３０（２０１５）０６０５１７０５收稿日期：２０１５０２２７基金项目：国家专项基金项目（６１０２７０１４）；深圳市科技计划项目（ＪＣＹＪ２０１４０４１８０９５７３５５８２）作者简介：刘雁杰（１９８９—），男，硕士研究生，主要从事光学设计方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｌｉｕｙａｎｊｉｅｐｈｅｌｐｓ＠ｆｏｘｍａｉｌ．ｃｏｍ通信作者：惠 彬（１９７７—），女，副教授，主要从事光学设计方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｈｕｉｂｉｎ＠ｓｚｕ．ｅｄｕ．ｃｎ基于微透镜阵列生成特定矩形光斑的ＴＩＲ组合透镜设计与仿真刘雁杰１，２，惠 彬１，２，李景镇２，丁金妃２（１．深圳大学电子科学与技术学院，广东深圳 ５１８０６０；２．深圳市微纳光子信息技术重点实验室，广东深圳 ５１８０６０）摘要：ＬＥＤ功率的不断增大使其逐渐替代传统光源，并广泛用于各种照明光源。在某些室内照明以及道路照明设计中，通常需要借助ＬＥＤ透镜产生矩形光斑从而充分利用光能避免浪费。利用ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ软件设计了一种全内反射（ｔｏｔａｌｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ，ＴＩＲ）透镜与特定微型透镜阵列的组合透镜，设置ＴＩＲ准直透镜透射曲面和全反射曲面为二次曲面，并对其进行准直优化。然后建立单个微型透镜，设置单个矩形微透镜长宽比分别为１∶１、３∶２和４∶３，并将其阵列化。通过改变微型透镜的尺寸以及球面曲率半径进行进一步优化，最后生成与微型透镜长宽比对应的均匀矩形光斑，从而满足不同矩形照明区域的照明需求。关键词：照明工程；ＬＥＤ；ＴＩＲ透镜；微型透镜中图分类号：ＴＮ３２１．８ 文献标志码：Ａ 犱狅犻：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５５６３０．２０１５．０６．０１０犇犲狊犻犵狀犪狀犱狊犻犿狌犾犪狋犻狅狀狅犳犜犐犚犮狅犿犫犻狀犪狋犻狅狀狅犳犾犲狀狊犳狅狉犪狊狆犲犮犻犳犻犮狉犲犮狋犪狀犵狌犾犪狉狊狆狅狋犫犪狊犲犱狅狀犿犻犮狉狅犾犲狀狊犪狉狉犪狔犔犐犝犢犪狀犼犻犲１，２，犎犝犐犅犻狀１，２，犔犐犑犻狀犵狕犺犲狀２，犇犐犖犌犑犻狀犳犲犻２（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＳｈｅｎｚｈｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８０６０，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈｅｎｚｈｅｎＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｃｒｏＮａｎｏＰｈｏｔｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ５１８０６０，Ｃｈｉｎａ）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＬＥＤｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｇｈｔｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｓｔｅａｄｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｌｉｇｈｔｉｎｇｓｏｕｒｃｅａｓｉｔｓｐｏｗｅｒｂｅｃｏｍｉｎｇｈｉｇｈｅｒａｎｄｈｉｇｈｅｒ．ＬＥＤｌｅｎｓａｒｅａｌｗａｙｓｎｅｅｄｅｄｔｏｍａｋｅｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｓｐｏｔｔｏａｖｏｉｄｗａｓｔｅｏｆｆｌｕｘｉｎｓｏｍｅｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｉｎｄｏｏｒａｎｄｒｏａｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｎｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎ，ｔｏｔａｌｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ（ＴＩＲ）ｌｅｎｓａｎｄｍｉｃｒｏｌｅｎｓａｒｒａｙａｒｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｂｙＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ．ＴｈｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｔｈｅｔｏｔａｌｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓｕｒｆａｃｅｏｆＴＩＲｌｅｎｓａｒｅａｌｌｓｅｔｕｐｔｏｑｕａｄｒｉｃｆｏｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｌｅｎｇｔｈａｎｄｗｉｄｔｈｏｆａｓｉｎｇｌｅｍｉｃｒｏｌｅｎｓｉｓｓｅｔｔｏ１∶１，３∶２ａｎｄ４∶３．Ｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｌｅｎｓａｎｄｓｐｈｅｒｉｃａｌｃｕｒｖａｔｕｒｅａｒｅａｌｓｏｖａｒｉａｂｌｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｕｎｉｆｏｒｍｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒｓｐｏｔａｐｐｅａｒｓｏｎｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒ，ａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｔｈｅｌｅｎｇｔｈａｎｄｗｉｄｔｈｉｓｔｈｅｓａｍｅａｓｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｍｉｃｒｏｌｅｎｓｗｈｉｃｈｃａｎｍｅｅｔｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ＬＥＤ；ＴＩＲｌｅｎｓ；ｍｉｃｒｏｌｅｎｓ 光 学 仪 器第３７卷 引 言ＬＥＤ具有体积小、发光效率高、寿命长等优点，并且随着单颗ＬＥＤ功率的提高，如今ＬＥＤ光源已经广泛应用于室内照明（筒灯、射灯、球泡灯等）、室外照明（路灯、标识灯等）、投影照明和车灯照明等方面［１３］。ＬＥＤ二次光学设计直接影响着ＬＥＤ出射角度、光照度分布等，在ＬＥＤ照明设计起着至关重要的作用。在道路照明应用方面，灯具设计者通常会根据不同照明场景和环境的需求对ＬＥＤ进行配光和二次设计。光照的区域和形状是设计者必须要考虑的，在路灯照明系统以及一些室内照明（地铁或者火车）中，照明区域通常为矩形，而未经配光的ＬＥＤ产生的光斑呈圆形。为了充分利用光能，避免照明区域外光能量的损失，可利用对ＬＥＤ二次光学设计直接产生矩形光斑［４６］，最终使ＬＥＤ发出的光能够在路面上呈均匀分布并符合相关道路照明标准［７］。 当前，较为常用的做法是根据ＬＥＤ发光特性采用自由曲面［８１０］的方法进行设计：复旦大学刘正权等［１１］根据空间Ｓｅｌｌ定律的矢量表达式［１１］和光源扩展度守恒列出偏微分方程，并根据边界条件求出方程数值解从而得到反射曲面坐标，再通过软件的建模与拟合最终得到反射器模型，采用这种方法最终可以得到近似的矩形光斑，但矩形的轮廓并不清晰；清华大学深圳研究生院胡晓佳等［１２］采用分离变量与最小能量块迭代法通过对ＬＥＤ光源和路面的能量网络划分设计成类似“花生米”结构的自由曲面透镜，最终生成相对均匀的矩形光斑，但精确改变矩形两边长之比却相对困难；北京工业大学李澄、李农采用抛物线聚光碗、准直透镜和复眼结构并利用Ｔｒａｃｅｐｒｏ软件进行模拟生成了方形光斑［５］，但并未对产生特定长宽比的矩形光斑进行进一步研究。本文采用全内反射（ｔｏｔａｌｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ，ＴＩＲ）透镜结合矩形微型矩形球面透镜阵列的方法，在ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ软件中建立模型并进行模拟，采用长宽比分别为１∶１、３∶２和４∶３的微型透镜作为阵列元，并改变其后表面曲率半径进行优化，最终得到长宽比分别为１∶１、３∶２和４∶３的矩形光斑。１ 系统模型的建立１．１ 犜犐犚准直透镜模型的建立ＴＩＲ透镜模型的建立一般有两种方法［１３１５］：第一种是采用逆向工程的方法，假设ＬＥＤ为点光源，利用空间Ｓｎｅｌｌ定律列出方程，然后分别计算出透射曲面和全反射曲面母线上的坐标点，并在建模软件中把这些坐标点通过样条曲线拟合成一条曲线，利用建模软件对其绕对称轴旋转建立相关模型；第二种方法是直接在光学软件中建立模型，根据光线追迹的结果对已经建好的模型进行优化和修改，直至满足设计需求。第一种方法的优点是可以对曲面面型进行直接计算，缺点是无法直接在光学软件中对其进行优化，并且ＬＥＤ本身为扩展光源，将其看作点光源必定会给模拟仿真的结果带来一定误差。此外，在计算的过程中需要利用ＭＡＴＬＡＢ软件或者其他工具进行计算，也使建模本身更加复杂。第二种方法在建模时相对简单和直观，我们可以在光学软件中直接建立模型并通过观察光线追迹结果对透镜相关参数进行修改而使结构更接近预期效果。在实际生产中，大多数采用第二种方法，并利用ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ软件结合Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ或者利用Ｔｒａｃｅｐｒｏ软件进行建模和优化，但是这种方法使用的前提是要对ＴＩＲ透镜以及ＬＥＤ配光曲线有较多的设计经验。本文采用第二种方法，在ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ软件中直接建立模型，其中透射面和全反射面面型均采用二次曲面，设定初始值，利用布林运算对建立的三维模型进行编辑从而建立ＴＩＲ透镜初始结构。在优化过程中，把透射面与全反射面的二次曲面系数设置为变量，并以准直为优化目的对建立的透镜模型进行优化。采用１ｍｍ×１ｍｍ朗伯发光体光源进行模拟，经过优化之后所得到ＴＩＲ透镜如图１（ａ）所示，图１（ｂ）为经过优化后在２０００ｍｍ处接受到的光斑的照度图。·８１５· 第６期刘雁杰，等：基于微透镜阵列生成特定矩形光斑的ＴＩＲ组合透镜设计与仿真 图１ 犜犐犚模型以及其后方２０００犿犿处光斑后照度图犉犻犵．１ 犜犐犚犿狅犱犲犾犪狀犱犻犾犾狌犿犻狀犪狋犻狅狀犿犪狆犪犳狋犲狉２０００犿犿图２ 在犔犻犵犺狋犜狅狅犾狊软件中建立的微型透镜以及组合透镜系统犉犻犵．２ 犛犻狀犵犾犲犾犲狀狊犪狀犱犮狅犿犫犻狀犪狋犻狅狀犾犲狀狊狊狔狊狋犲犿１．２ 矩形微型透镜阵列的建立微型透镜所采用的材料与ＴＩＲ透镜一样，均为聚甲基丙烯酸甲脂（ＰＭＭＡ），折射率为１．４９，并采用平凸透镜结构，即第一面为平面，第二面采用球面。在光学软件中建立图２所示的矩形微透镜。图２（ａ）为单个微型透镜模型。建立好单个模型后，将其阵列化并使用布林运算使其与ＴＩＲ透镜构成一个系统（图２（ｂ））。整个系统相当于一个组合透镜系统，其中ＴＩＲ主要起到准直的作用，而后面的微型透镜阵列起到对光斑整形的作用。当改变微型透镜球面的曲率半径以及微型透镜在ＴＩＲ出射面的排布个数时，最终形成的矩形光斑会发生相应的变化。另外，微型透镜的出射面面型对照明效果也起着重要作用。本文仅仅对球面这一特殊情况进行讨论，还可以在ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ软件中设置二次曲面的曲面系数来改变曲面面型，从而对系统进行进一步优化和分析，也可以在其它建模软件中根据实际需求自行设计自由曲面进行建模。２ 系统模拟与仿真结果如１．２节所述，在对ＴＩＲ透镜进行准直和均匀度优化之后，在ＴＩＲ透镜后表面增加微型透镜阵列，设定矩形微透镜长宽比分别为１∶１、３∶２、４∶３。在建立ＴＩＲ模型时，设定出射面直径为２４ｍｍ，接收面在距ＬＥＤ后２ｍ处。在分别保持微型透镜长宽比不变的情况下，通过改变微型透镜的尺寸和曲率半径进行优化。２．１ 长宽比为１∶１设置微型透镜轮廓为矩形，设置微型透镜长与宽相等（犡表示长边，犢表示短边），分别设置犡＝犢＝１ｍｍ、犡＝犢＝２ｍｍ和犡＝犢＝３ｍｍ，即分别对应在ＴＩＲ透镜后表面排布的微型透镜个数为犖＝４５０、犖＝１１０和犖＝５０。分别在保持犖不变的情况下，改变微型透镜后表面的曲率半径，并进行光线追迹，分别得到如图３所示的（ａ）（ｂ）（ｃ）光斑照度图（由于篇幅限制，仅从多个模拟结果中选取８幅充分展示照度变化的照度图）。从图中可以看出，当保持微透镜两边犡＝犢＝１ｍｍ时，改变后表面曲率半径时，当曲率半径犚从４０ｍｍ逐渐减小至１ｍｍ，最终目标面上的光斑形状会从圆形逐渐变成正方形，且光斑会逐渐变得更加均匀。保持矩形长宽比不变，改变微型透镜的尺寸使得犡＝犢＝２ｍｍ和犡＝犢＝３ｍｍ，同样也得到了照度分布较为均匀的正方形光斑。２．２ 长宽比为３∶２２．１节中所模拟的正方形是矩形的特殊情况，当两边长度不相同时，改变微型透镜的比例，设置长宽比为３∶２，分别设置犡＝１．５ｍｍ、犡＝３ｍｍ、犡＝４．５ｍｍ，对应的犢＝１ｍｍ、２ｍｍ和３ｍｍ，即犖＝３００、７５和３３。分别在保持犖不变的情况下，改变微型透镜后表面的曲率半径，并进行光线追迹，分别得到图４所示的（ａ）（ｂ）（ｃ）光斑照度图。如图４（ａ）所示，当犡＝１．５ｍｍ、犢＝１ｍｍ时，犚＞６ｍｍ时，接受面上的光斑为圆形且变化不大；当犚从６ｍｍ逐渐减小时，接受面上的光斑从圆形逐渐变成椭圆形，再由椭圆形渐渐变成矩形，且矩形的四个直角和轮廓也愈来愈清晰，光斑也逐渐变得均匀，且矩形光斑两边之比为３∶２。当保持犡与犢比例不变改变其值时，也得到了均匀的矩形光斑（图４（ｂ）和图４（ｃ）），且矩形光斑长宽比为３∶２。·９１５· 光 学 仪 器第３７卷 图３ 微型透镜长宽相等时生成的光斑照度图犉犻犵．３ 犛狆狅狋狊狑犺犲狀犾犲狀犵狋