基于提高LED阵列远场照度的设计

由远场光强剖切图可以看出，光强存在凹陷，说明光源位于焦平面处不太合理，需进行离焦分析.在离焦分析之前，由于光源的前后移动可能会与反光杯尾部发生接触，并考虑到散热及灯具美观，将反光杯的底部进行切割处理，以便放置散热器.分别在焦平面前后方5mm及焦平面处3个位置处进行切割，由于切割之后，光源的离焦移动可能会损失部分光能，因此，在切割之后的反光杯底部加圆柱形蒙皮，将蒙皮长度确定为20mm,内壁反射率同样设为85%.在不同切割距离处，通过光源离焦分析，得到40m处照度.效率及半光强角的关系如图7所示.

经过数据对比，在不同位置切除反光杯底端后，配光效果差异很小.要满足半光强角A在15度左右，且照度满足要求，最后确定在焦平面右侧5mm处切割，且通过离焦分析，发现光源阵列在z=27mm时，即在焦平面右侧7mm处达到最佳，半光强角最小，最聚光，为11.7度，此时最大照度为16.7llx,此时强度剖切图(如图8(a)所示)和照度图(如图8(c)所示)以及最终设计的反光杯三维模型如图8(b)所示.

由分析可知，光源离焦对配光效果影响很大，因此，在反光杯实际加工时，需在其内部设计微调装置来确定最佳位置.

5透镜的光学设计

5.1透镜的形状确定

用于LED照明的光学准直器主要有两种，透镜和反光杯.LED光源发出的初始光在经过反光杯全反射准直之后，都会以同一准直方向出射，从以上分析可以看出，LED阵列在加了反光杯之后，照度大小仍然不能达到最佳，因此，需要在反光杯内增加透镜来达到要求.透镜材料选择PMMA,俗称有机玻璃，是迄今为止合成透明材料中质地最优异，价格又比较适宜的品种，折射率约为1.4.

通过几何光学分析，得出加透镜有两种方法，第一种，在出光口处加透镜;第二种，为了避开反光杯出射的平行光，将透镜放在反光杯内某一位置.

按照第一种情况，在出光口加透镜.保持前口径不变，改变后口径曲率，看对照度大小的影响，确定最佳曲率.为确定后表面的曲率半径，首先对后表面曲率半径和40m处照度最大值之间进行了灵敏度分析(如图9所示)，以确定最佳的优化起始面型，减少优化耗时.

当半径为R=92.2mm,最大照度为27.08blx此时半光强角为11度，满足条件.

5.2透镜的位置确定

按照第二种情况，先在3个位置进行模拟，将透镜放置于距光源25mm,50mm,74.25mm处，如图10所示，确定后口径半径，观察改变后口径曲率对40m处照度的影响.

为了避开反光杯出射的平行光，设边缘直线L.方程为：

其中：k--直线斜率，由于L.通过点(0,23)，(74.25,90)，可得出直线方程为：

此时的y即为透镜前表面直径.将透镜放在反光杯内不同位置，得到的不同曲率半径与最大照度关系如图11所示.

当x=25时，R=40mm照度达到最大，为19.3lx;x=50时，R=66.7mm时，照度达到最大，为25.3llx.

由分析，最终确定，R=92.2mm时，远场照度值最大，为27.08lx,满足照度要求，因此确定在出光口处加透镜.

考虑到透镜厚度对光能的影响及加工费用等因素，将透镜做成菲涅尔透镜，其工作原理十分简单，由于透镜的折射能量绝大部分发生在光学表面，拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度，可达到同样的效果，而且成本比普通的凸透镜低很多.保持厚度d=5mm,最终面型如图12所示.

6 总结

本文介绍了一种基于提高LED远场照度的新型二次光学设计，可以为以后灯具的结构及配光设计提供一些依据.