LED二次光学设计

Kazoom
Oct, Fri, 2023
Industry Information

一、概论：

1．全透明反射棱镜的特点

LED全透明反射棱镜能分配LED在2π立体角内的光通，光通利用率高，η=85%，安装简便。棱镜加工方便而且体积也很小，对空间的要求小，宜于安装在各类灯具之中。

2．前景

目前安装LED棱镜的灯具已得到广泛的应用，像建筑照明、通用照明、标识照明、景观照明、交通信号灯等都已得到了很好的应用。随着LED技术的不断提高，LED棱镜的前景也会更好。

二、设计方法：

1．第一介面效率问题

第一介面的效率很重要，它决定整个棱镜的光通利用率，因此光源光线在第一介面上的分布要合理。如图1：

β角为光源光通在第一介面上的半角分布，这部分光线在棱镜上都是二次折射光线，是折射次数较少的一部分光线，当β角增大时，光源在这部分的光通量增大，光通损耗少，但光线将向外偏移，将产生无用光通。当β角减小时，则光源光通在这部分的光通量减少，效率减低。另外，在ABCD圆柱体中，圆柱侧面将形成光的反射，当光线垂直射入时，根据菲涅尔公式得：ρ=2，对n1=1（空气），n2=n（给定材料的折射率）则公式变为ρ=2，若棱镜的折射率n=1.5,则ρ=0.04，当β减小时，α角增大（见图1），若α角大于60°以后，反射率剧增，将大大损耗光通，因此要根据预设配光，合理分布这部分光通。

2．全反射面的取得

全反射面是分配LED光通的主要部分，所设计的棱镜是否满足预设的配光，主要是取决于全反射面的设计是否合理。图2为全反射面中一条光线的形成过程。设有一立体角为γ的环带光通，ρ为一条中间光线，当ρ射向两种介质的界面处A点时，光线进行第一次折射，光线是从光疏介质射向光密介质，进入光密介质的光线改变原来的传播方向（根据折射定律：Sin I1/Sin I2=n，其中I1为入射角，I2为折射角，n为折射率）。光线经折射后到达棱镜的边缘，两种介质的界面处B点，光线进行第二次折射，光线是从光密介质射向光疏介质，当B点是曲率半径为R的圆弧时，光线与圆弧形成的法线产生入射角I3，要使I3′成为全反射光线，I3必需大于临界角（折射角达到90°时，所对应的入射角叫临界角，根据折射定律：sinC=1/n，C为临界角）。即折射光线全部消失，产生全反射光线，当光线反射到出光面C点时，光线进行第三次折射，光线将从光密介质射向光疏介质。同样根据折射定律，最终的出射光线ρ1的出射角为I5。以上是LED的一条光线在棱镜中的走向，在设计棱镜的过程中，应按照光的折射和反射现象中光路是可逆的原理，从预设的光出射角度I5开始，反向计算出光路的走向，以确定棱镜的形状。

3．出射光线的预设

棱镜的设计依据是预设配光，预设配光是把光源配光进行再分配后得到的，其形式可根据被照面的要求或用户的需要进行预设，按光束角可分为窄光束、宽光束、蝙蝠形等。预设配光除显示配光形式外，还要定出最大光强值、光束角、总光通量等数值。

三、设计步骤：

1．出射介面的设计

棱镜出射面的形式一般有平面、圆锥面、曲面等，图3—图5是棱镜出射面的形式：

图3：出射介面为平面。先将预设配光分成若干个环带，把每一环带的平均光通量与所在角度对应于棱镜的每一环带，若对应后棱镜的出射光通量不能满足预设的出射光通，可用其它环带内的光通量来弥补。

如：图6为一预设配光，在δ角度处有一光线，其光强值为I，将其对应于棱镜的δ角度处见图7，根据折射定律可推算出棱镜在此处的出射程光强为I1，当I1＜I时，即棱镜此处的光强

值不能满足预设要求时，可用其它环带的光通量来弥补此处的光通量，使得棱镜δ角度处的光强值与预设配光相同。

2．自由曲面的设计

自由曲面是分配LED光通的主要部分，尤其在LED的60-90°环带内，虽然光强值不高，但光通量较大，要充分利用好这部分光通，就要合理的设计自由曲面。自由曲面的设计与前面讲的“全反射面的取得”原理是一样的，只是根据光在折射和反射中是可逆的原理，反向计算出自由曲面的形状。

图8是自由曲面上B点的法线形成过程，I为预设光线，经棱镜出射面C点折射后到达B点，光线需在B点进行全反射，经全反射后的光线要到达指定点A（A点折射后的光线必需到光源位

置），∠CBA的平分线就是B点处的法线。必需注意：要使光线在B点全反射，β2必需大于临界角。以此类推，定出若干个点，用光滑曲线连接，即为自由曲面。

3．凸透镜的设计

棱镜的凸透镜部分是合理分配LED中心处光强的手段之一，图9和图10是两种透镜的比较：

图9是平面透镜，即AB是一平面，光线进入平面介面后，虽然折射角小于入射角，但是，随着光源出射光角度的逐渐增大，折射光的角度也逐渐增大，光线向外偏移，在光中心处有黑斑。当采用凸透镜以后，见图10，CD为球面，随着法线方向的不同（指向圆心），折射光线

的偏移量减少，中心光强增大。

4．折射与透射面的角度设定

图11是棱镜的几个折射与透射面：

第一透射面的所在空间为LED安装空间，侧面为圆柱面，直径与LED安装尺寸相同，顶部是凸透镜，球半径根据需要定。折射面为自由曲面，连接自由曲面的曲线可以是直线、圆弧等，形成自由曲面的点越多越好，这样自由曲面的精度就越高。第二透射面也就是光出射面，它可以是水平面、圆锥面、曲面，见图3-图5，运用那一种曲面，要根据预设配光的要求，一

般运用内凹的圆锥面或曲面将使出射光线更多的向外偏移，注意：不要在光出射面形成全反射，否则将大大降低光通利用率，见图12。