·前沿技术与交叉科学·
*
黄从高1， 胡 淼1， 张春洋2， 许蒙蒙1， 李齐良1， 毕美华1， 周雪芳1
（1. 杭州电子科技大学 通信工程学院，杭州 310018； 2. 防化研究院，北京 102205）
膏药制作
摘 要： 为了解决高功率白光LED 光源输出高均匀度窄光束的问题，设计了一种由复合抛物面反射器、菲涅尔透镜和非球面透镜组成的照明系统。设计中以板上芯片型（COB ）集成光源的配光曲线为依据构建光源仿真模型，由复合抛物面反射器实现大角度光线初次会聚之后，再由菲涅尔透镜控制溢散光，最后利用非球面透镜进行准直配光。采用TracePro 进行蒙特卡洛光线追迹，根据仿真得到的系 统性能指标，并研制出实物装置进行实验测试。最终测试结果表明：窄光束均匀照明系统可以输出±7.9°的光束，并且在距离系统出光面0.7 m 左右的区域形成均匀度超过96%的圆形光斑，整体光效达到60%。
关键词： 窄光束； COB 集成光源； 均匀照明； 非球面透镜； 复合抛物面反射器 中图分类号： O432 文献标志码： A doi : 10.11884/HPLPB202133.200224
Narrow beam uniform illumination design of COB light source
Huang Conggao 1， Hu Miao 1， Zhang Chunyang 2， Xu Mengmeng 1， Li Qiliang 1， Bi Meihua 1， Zhou Xuefang 1
（1. College of Communication Engineering , Hangzhou Dianzi University , Hangzhou 310018, China ;
2. Research Institute of Chemical Defense , Beijing 102205, China ）
Abstract ： To achieve high-power white LED system with high uniformity and narrow beam, an optical system composed of Chips On Board (COB), compound parabolic reflector, Fresnel lens and aspheric lens is designed. In the design, based on the COB light distribution curve, the light sou
rce simulation model of the optical system is built firstly. Then the light source beam is converged by the compound parabolic reflector, and the spill light is controlled by the Fresnel lens. finally, an aspheric lens is used for collimating light source beam. The TracePro software is used for ray tracing simulation. According to the simulated results, an experimental setup is developed for experimental testing. The testing results show that the divergence angle of the optical system is ±7.9°, and the circular uniformity is 96% with the distance of 0.7 m, and the overall light efficiency reaches 60%.
Key words ： narrow beam ； COB integrated light source ； uniform illumination ； aspheric lens ； compound parabolic reflector
LED 光源作为新型绿节能产品，凭借着耗能少，体积轻，抗震动等优势，在诸多的领域逐步取代传统光源。LED 光源的光强分布呈余弦状，与朗伯光源相似[1-3]，需要进行合理的配光设计，提高光学系统的性能。目前针对点光源LED 的配光设计已经非常成熟，比如郝建[4]等人利用Scheme 语言设计的自由曲面准直透镜，使点光源LED 输出光束的发散角达到±5°，光效达到90%；张巧淞[5]等人基于光源LED 设计出了视场半角小于于3.3°，光效达到86.62%以上的自由曲面透镜；余桂英等人利用光学扩展量守恒理论，基于光源LED 设计出了照度均匀性超过90.6%，能量利用率达到99.6%的均匀照明反射器[6]。考虑到单芯片LED 由于发光功率较低，难以满足高光通量的需求[7]。因此在实际应用中，
板上芯片型（COB ）集成光源成为了当前大功率LED 发展的主流趋势[8]。对于COB 光源，由于光源的整体尺寸较大，与传统的点光源设计方案有较大差别，尤其是对于直径为20 mm 及以上的COB 光源，传统的SMS 曲面设计法[9]设计的透镜可以保证较高的均匀度，但能量利用率偏低，只能适用于特定场合。利用镜面反射法[10]设计的反光杯可以提高COB 光源的能量利用率，但难以控制输出光束的发散角到最佳状态。如郭海龙采用将COB 面光源分割成诸多点光源的方案，设计出了半光强角14.82°，能量利用率高于70%的透
* 收稿日期：2020-07-31； 修订日期：2021-01-04
基金项目：国家自然科学基金项目（61705055）；浙江省重点研发计划项目（2019C01G1121168）
作者简介：黄从高（1995—），男，硕士研究生，从事LED 光源均匀辐射模拟器等方面研究；。通信作者：胡 淼（1982—），男，教授，博士，从事大功率LED 技术、激光技术研究；。
第 33 卷第 2 期强 激 光 与 粒 子 束
Vol. 33，No. 22021 年 2 月
HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
Feb.，2021
镜[11]，但均匀性不高；等人研制了基于LED 扩展光源均匀光斑光辐射模拟器[12]，获得了均匀性优于5.6%的矩形光束，但光束角度超过±12°，未达到小于±10°的实际目标要求，且光效也仅有41%；梁孙根等人设计了基于近焦点的非球面透镜照明系统[13]，获得了发散角度低于±10°的光束，但系统整体光效不到20%，且透镜尺寸达到200 mm ，难以应用于实际工程中。而如今市面上使用的准直照明系统多为TIR 结构，由透射和反射结构相结合，整体呈现元宝面型。其设计原理是将光源中心小角度光线采用透射式准直，而大角度光线进行反射式准直，从而实现LED 光源的准直配光，但照明光斑的均匀性难以达到90%以上，并且当光源尺寸较大时，相应的准直TIR 透镜体积也将增大，使得加工的难度和费用都大大提高。综上，传统的一些设计方案对大功率的COB 集成光源配光效果不太理想，难以实现高均匀性，小发散角和高光效的光束整形。
为了提升大功率COB 光源的光学性能，获取更好的照明效果，本文基于非成像光学的边缘光线理论和几何光学原理，提出了一种在特定距离可以实现发散角度小于±10°，照明均匀性高于90%，整体光效超过60%的窄光束照明系统。使用TracePro 进行建模仿真，根据仿真参数研制出实物进行测试，测试结果与仿真结果吻合较好。
1 设计思路与方案
传统的LED 芯片配光设计，主要使用透镜或者反射杯。反射杯可以将入射的大角度光线控制在一定角
度内，对于小角度的光线却无法做到有效的控制，难以达到满意的光斑效果；透镜可以精准控制小角度的光线，但对于COB 型的LED 光源，光束发散角度大，要想收集处理更多的光线，就需要大尺寸的透镜，在实际工程中不具有使用价值；相比较传统透镜，菲涅尔透镜更轻薄，价格更低廉，具有一定的光线汇聚作用，可以初步对光线角度进行压缩，再由传统透镜高效准直，既保证了光束角度的准直效果，也减小了光学元件的尺寸。综合上述透镜与反射杯的优点，采用三者相结合的方式对大功率COB 芯片进行配光设计：复合抛物面聚光器（CPC ）对COB 光源进行角度控制处理，利用菲涅尔透镜（FL ）对未经过CPC 反射的散光进行准直，将光束角度压缩在一定范围内，最后利用非球面透镜准直输出，原理设计思路如图1所示。卷积编码
图2为CPC 与FL 的设计原理图。基于边缘光线理论可知，图2中COB 芯片发出的边缘光线经过CPC 折/反射后，都会变成与竖直方向成θ角的平行光线射出。在图2中，AC ，BD 分别以B ，A 为焦点的两条抛物线，r 为CPC 出射口的半径，d 为COB 的半径，也即CPC 的焦平面半径。由几何知识和抛物线性质可以给出抛物线AC 的表达式[14-15]
ϕ=θ+90◦式中：A ，B 分别为A ，B 点对应的矢量；φ为抛物线AC 的对称轴（图2
过B 点的虚线）与由B 点发出的任一光线所形
成的夹角；；同时CPC 高度h [15]由公式（2）求出
结合式（1），（2）以及d ，r 的数值，可以得到抛物线的具体线型，导入SolidWorks 旋转生成CPC 实体模型。经过CPC 的初次折射配光，光源发散角度被压缩至80°内，模拟得到的CPC 聚光光路如图3所示。
y
x
z
O COB
CPC
Fresnel
lens (FL)
aspheric lenses
θ
Fig. 1 Scheme diagram of system design
图 1 系统设计方案图
y
D
B
r d φ
θθ毛毯清洗剂
z
C
A
h
Fig. 2 Design principle diagram of CPC and FL
图 2 CPC 与FL 设计原理图
强 激 光 与 粒 子 束
由于CPC 只能对发散角度大于θ的光线起作用，对于小角度光线只能任其自由出射，导致光斑效果不佳，故需要对直接溢出的散光进行处理。图2中，可以看出最大直接出射角的边线范围为AD ，BC ，所以只需将这两条线内的光线进行准直，出于后期装配考虑，通过TracePro 设置合适的参数生成菲涅尔透镜置于CPC 上端口处，对这部分的溢散光准直输出。
α将经CPC 与FL 折射配光后的光束视为新光源，利用几何光学原理设计非球面透镜对COB 光源的发散角进一步压缩准直。如图4非球面透镜设计原理图所示，以COB 光源的中心为坐标原点O ，法线方向为z 轴，y 轴垂直于z 轴。yOz 平面中，坐标原点距离非球面平面端距离为a ，透镜整体厚度为d ，折射率为n 。选取任意从O 点出发角度为θ(θ≤θmax ，θmax 为非球面透镜所能接收光线的最大角度)的光线，设其与透镜平面端交点为P (z 1，y 1)，经过折射后折射角为，与非球面端相交于Q (z n ，y
n )。由费马原理的等光程性以及折射定律可以得到z n ，y n 的坐标
将光源发散角进行一定的划分，则对于每一个θ(−θmax ≤θ≤θmax )，都可以得到相应的P 点坐标，进而计算得到非球面的坐标点(z n ，y n )，将一定量的坐标点导入SolidWorks 中，旋转生成完整的非球面透镜模型。
2 仿真分析
仿真选择对炫彩公司生产的100 W 高功率COB 芯片进行配光处理，目标获取均匀性高于90%，发散角度为±7°左右的窄光束。应用上述方案生成所需的CPC 、菲涅尔透镜和非球面透镜导入TracePro 中，构建系统模型，采并用蒙特卡罗光线追迹法进行仿真。参数设置如表1所示。图5系统仿真装置模型图中，从左往右依次是：圆柱形
导光管，COB 封装的高功率芯片，CPC ，菲涅尔透镜以及非球面透镜。其中非球面透镜直径122 mm ，厚度50 mm ，菲涅尔透镜直径18.3 mm ，焦距100 mm 。CPC 焦平面半径12.16 mm ，略微大于芯片尺寸，整体长度50 mm ，出射口与非球面透镜的入射平面相距66 mm 。
为了更为直观的体现光学系统对于COB 芯片二次配光的整形效果，对COB 芯片进行了单独的光线追迹仿真，获得了如图6（a ）所示的COB 芯片配光前的坎德拉分布图和图6（b ）
表 1 光学系统仿真参数
Table 1 Simulation parameters of optical system
lens material COB diameter/mm
simulation wavelength/μm
CPC reflectivity/%
number of ray traces
PMMA
水上滚筒22
0.54
95
500 000
Fig. 3 Light path diagram of CPC concentration
图 3 CPC 聚光光路图
y
O
a d
z
n
a θ
θmax
芯片怎么烧录程序P (z 1, y 1)
Q (z n , y n )
Fig. 4 Schematic diagram of aspheric lens design
图 4 非球面透镜设计原理图
COB
CPC
light guide Fresnel lens
asphericel lens
消防管道防冻Fig. 5 Model diagram of system simulation device
图 5 系统仿真装置模型图
黄从高等： COB 光源的窄光束均匀照明设计
所示的COB 芯片配光后的坎德拉分布图。从图6（a ），（b ）可以看出，COB 光源的光强近乎分布在−80°～80°的角度空间内，难以直接使用，而经过光学系统配光处理后，光束的发散角度得到了一定的控制，系统出光口的光束角度控制在20°左右。
在距系统出光面0.4，0.7，1.0 m 处设置半径0.35 m 的圆形接收屏，图7（a ）～（c ）分别给出了光
学系统发射光束在距离0.4，0.7，1.0 m 处接收屏上的光度分布。从图7的二维和三维照度图可以清晰看出，分别在距离系统出光面0.4，0.7，1.0 m 远处，光线主要集中分布在半径为0.05，0.10，0.15 m 的有效范围内。图7（a ）中心区域光度分布不均匀，且光斑边缘光度值下降的很缓慢，整体均匀性较差；图7（b ）中心区域光度成片分布，波动较小，均匀性好；图7（c ）当距离进一步增加时，中心区域光度分布呈现中间高，两边低的特点，光度值波动范围变大，均匀性有一定的下降。
考虑到实物装配中，CPC 与透镜之间的距离很难准确控制在仿真中设定的66 mm ，根据设计目标要求中的均匀性大于90%的条件，对图5中CPC 与非球面透镜之间距离的允许偏差进行了分析。以66 mm 为初始距离，offset 作为初始距离的偏移量，通过改变offset 得到光斑均匀性和能量利用率的变化曲线，如图8（a ），（b ）所示。
如图8（a ）所示，随着offset 绝对值的逐步递增，光斑有效区域的均匀性逐渐的下降，但在[−2 mm ，2 mm]的变化区间内均匀性都大于90%。图8（b ）反映出offset 从−2 mm 变化到2 mm 过程中，系统整体的能量利用率呈现递减的趋势，这是因为从CPC 出射的光束具有一定的发散角度，与透镜距离增大会导致一些光线溢出，降低了光线利用率，但降低幅度很小。综上，当offset 处于[−2 mm ，2 mm]的区间内，系统能量利用率变化不大，照明均匀度都
180170160
1501401301201101009080706050
40
30
20
10010
2030
4050
60
708090
100110120130140
150
160
170
50100150200250300350
400
90
180170160
150140
1301201101009080706050
40
3020
10010
2030
405060
70
8090100110120130
140
150
160
1701000200030004000500060007000
80000
90
(a) pre-light distribution
(b) post-light distribution
Fig. 6 Polar candela distribution before and after COB chip light distribution
图 6 COB 芯片配光前后坎德拉分布图
200150100
50
0−50−100−150−200x /mm
−200
−150
−100−50050100
15020068 40064 80061 20057 60054 00050 40046 80043 20039 60036 00032 40028 80025 20021 60018 00014 40010 8007200
l u m i n o s i t y /l x
(a) the distance is 0.4 m
强 激 光 与 粒 子 束
能满足设计目标要求。
3 实例设计
为了验证窄光束照明系统的光斑均匀性、光束发散角度，光效等非成像光学性能指标，依据仿真光学参数，加工研制出了基于COB 的窄光束照明系统的实物装置，如图9（a ），（b ）所示。图9（a ）外部视图中可以看出装置由非球面透镜、菲涅尔透镜、CPC ，COB 芯片、散热器以及圆柱支架组成。所用透镜都采用光学级PMMA 材料加工，透
300
200
100
0−100
−200
−300
x /mm
−300
−250−200−150−100−50050100200150300250300
200
100
0−100
−200
−300
x /mm
−300
−250−200−150−100−50050100200150300250l u m i n o s i t y /l x
l u m i n o s i t y /l x
(b) the distance is 0.7 m
(c) the distance is 1.0 m
26 98025 56024 14022 72021 30019 88018 46017 04015 62014 20012 78011 360994085207100568042602840
13 68012 96012 24011 52010 80010 080936086407920720064805760504043203600288021601440
Fig. 7 Luminosity distribution at different distances
图 7 不同距离远处的光度分布图
−2
−1
012
offset/mm
−2
−1
012
offset/mm
92
9394959697
(a) uniformity vs offset (b) energy efficiency vs offset
Fig. 8 Impact of offset changes on uniformity and energy efficiency
图 8 offsets 变化对于均匀性和能量利用率的影响
黄从高等： COB 光源的窄光束均匀照明设计
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