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实现LED台灯均匀照明的自由曲面透镜仿真设计
时间：2012-05-22来源：中国照明网作者：
关键字：LED台灯均匀照明仿真设计
1引言
近年来，由于用眼过度和书写环境不良等原因，我国已成为青少年近视眼发病率世界第二的国家，而且因高度近视而致盲的青少年人数高达30万[1]。视力保护、缓解眼疲劳十分必要。调查指出，相对于普通交流台灯，使用无频闪台灯有助于减轻眼疲劳和其他用眼不良感觉，如眼睛干涩、胀痛和眼花等[2]。
LED作为直流无闪频、高光效的新一代照明光源，在书写照明应用上具有极大的潜力。但是，LED高度窄角集中的光学特性导致了光斑呈现中间极亮，随半径增大方向急速衰减的不均匀现象。这种极度不均匀照明将引起瞳孔频繁调焦，容易导致眼睛疲劳和不适。利用自由曲面透镜是有效改善光线分布状况的重要途径。该方法目前主要集中于LED路灯等室外照明的研究[3]。LED是具有一定发光面尺寸的光源，但是面光源的光线路径极其复杂，因此往往将其简化为点光源模型进行透镜设计。这必然影响实际的配光效果。相比于室外照明，应用于室内照明的LED台灯对照明区域的均匀度要求更高。因此，应用于LED台灯配光的自由曲面透镜设计必须充分考虑发光面尺寸和透镜尺寸对配光效果的影响。
2旋转对称自由曲面透镜设计
2.1设计原理
台灯的照明区域主要是圆形区域[4]。因此，实现台灯均匀照明的自由曲面透镜是旋转对称的，其设计可以简化为:根据Snell定律和二维平面空间LED的配光特性求取该平面上透镜自由曲面的母线。LED光源是具有余弦分布特性的朗伯光源，即I(θ)=I0·cosθ(1)上式中I0为法向轴线上LED的光强，θ为光线与法向轴线的夹角，如图1(a)所示。利用划分网格法[5]的思想，建立光源与照明区域的拓扑关系。为实现照明区域照度的均匀分布，离散后具有相同微角度间距dθ的发射光线在照明区域的映射点的间距需满足余弦分布的特性，即l(θ)=l0·cosθ(2)

如图1点光源与照明区域的拓扑关系如图1(b)所示，等式中l0为发射角度dθ的光线在照明区域的映射点与照明区域中心点的距离;l(θ)为发射角度θ的光线与发射角度(θ-dθ)的光线在照明区域的映射点间的距离。
自由曲面透镜存在内外表面两个折射面。由于光的透射率随入射角的减小而增大[6]，第一折射面采用球心与点光源重合的半球面能够提高光的透射率，而且理论上不影响点光源光线的传播。如图2所示，当dθ取较小值时，自由曲面母线可近似为系列dθ角度区间的直线线段首尾相接构成。

图2中Pn和Qn是一对映射点。光线经自由曲面上的点Pn折射后投射到照明区域的对应点Qn。光线的入射角i和折射角γ存在如下关系:

其中α为直线PnQn和直线OPn的夹角，当Pn和Qn两点的位置确定时，α确定;n为透镜材质的折射率。由式(3)整理可求得入射角i和折射角γ，如下式所示:

因此，Pn点的法线Nn和切线Tn可根据Snell定率求出。
定义母线上的Pn+1点为Pn点的切线与顺时针夹角dθ光线的交点，则能保证母线的连续性。根据起始点P0及照明区域的映射点序列(Qn)可迭代求取母线上的离散点序列(Pn)，从而确定透镜母线。
2.2设计案例及仿真结果
写作台灯需要保证垂直于出光面400mm处半径为500mm范围的照明区域照度均匀分布。采用折射率1.5的PMMA为透镜材料，自由曲面母线起始点P0坐标为(-5，0)，利用MATLAB编程迭代计算出自由曲面透镜的母线，如图3(a)所示。

根据母线的尺寸，取第一折射面球半径为4mm，并通过pro/e建模，如图3(b)所示。利用Tracepro仿真一颗75lm的LED朗伯光源在垂直距离400mm的照明区域上的照度分布状况。如图4所示，在没有二次光学设计情况下，照明区域几何中心照度最大，其中半径300mm、500mm照明区域的均匀度(最小值/最大值)分别为约0.45、0.15。在500mm圆形照明区域上的光利用率约65%。

如图5所示，利用自由曲面透镜能够有效提高LED朗伯光源光的利用效率和照明区域的均匀度。以0.001mm半径圆形域作为LED点光源在Tracepro中的仿真结果如图5(a)所示，半径400mm内的照明区域均匀度达到95%，500mm圆形照明区域上的光利用率约92%。
但是，实际上LED光源并不是点光源。目前，市场上大功率白光LED芯片尺寸主要在40mil～60mil的范围内，结构上会形成半径为1～2mm左右的发光面。例如国星光电FP-6070XW-AFT-EEM型号大功率LED器件的发光面半径约2mm。以半径为2mm圆形域作为LED光源在Tracepro中的仿真结果如图5(b)所示。显然，LED发光面尺寸会对实际的配光效果产生影响。
3配光效果分析及透镜优化
利用自由曲面透镜进行配光设计是通