發(fā)布時間:2020-03-03
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每當夜幕降臨,城市街道燈光輝煌,人聲鼎沸。夜晚是燈的世界,栩栩如生的金魚燈、形象逼真的荷花燈、古樸典雅的官燈……燈是落在凡間的精靈,是天上閃著的明星。燈被發(fā)明以來,人們?yōu)榱俗非蟾m宜的照明效果不斷設(shè)計各式各樣的照明系統(tǒng),全內(nèi)反射透鏡就是其中鮮明一例。
圖 花燈:后羿射日 圖片來源:中國文明
TIR透鏡演變歷史
全內(nèi)反射透鏡被稱為折反射透鏡,又稱TIR透鏡。TIR透鏡在探照燈、手電筒等照明系統(tǒng)中廣泛使用,利用折射和反射面型的合理結(jié)構(gòu),使光源出射角近乎準直。TIR透鏡是目前LED照明領(lǐng)域應(yīng)該廣泛的照明元件。但其并非近幾年才被發(fā)明出來,其實早在近80年前,已經(jīng)有人對其申請了相關(guān)的專利。
TIR透鏡到底是怎么被一步步設(shè)計出來的呢?讓我們追溯前輩們設(shè)計的思路,看看能否對你的設(shè)計帶來靈感。
早在1937年,Lawrence Harris就已經(jīng)設(shè)計出了具備基本準直功能的折射反射透鏡。他的設(shè)計僅僅包含全反射的原理,如圖1所示,將光源置于拋物面型反射面焦點(即標記2處),光線3經(jīng)過拋物面1的反射會以4方向出射,平行與光軸5。但是這樣的系統(tǒng)無法準直角度小于光線6的光線。
圖1
圖 2
后來,Lawrence Harris發(fā)現(xiàn)運用折射原理可以準直小角度光線。如圖2所示,當光源被置于橢球體一個焦點13處時,光源發(fā)射光線經(jīng)過另外焦點所在半球任一點(如15點時),光線會被準直,平行與光軸出射(如17)。
但是上述兩種系統(tǒng)難以組合到一起,于是新的系統(tǒng)外形又被設(shè)計出來,如圖3所示。7弧線仍為拋物面,11點為拋物面焦點,9面為一段以11為焦點的半圓,光線經(jīng)過半圓面方向不會發(fā)生改變,經(jīng)過拋物面發(fā)生全反射,出射光線光路與圖1所示系統(tǒng)相似。
圖3
圖4
將圖2與圖3系統(tǒng)結(jié)合,構(gòu)成圖4所示系統(tǒng)。23同時為拋物線24,以及橢圓22的焦點,光源置于23所在位置,則光線無論出射至拋物面、橢圓面都可以被準直,圖1所示問題得到基本解決。但是并不是所有角度的光都可以被準直,光線如果出射到如圖5所示27位置時就無法實現(xiàn)平行光出射。
圖5
圖6
為了使27位置處可以出射平行光,通過將27旋轉(zhuǎn)一定角度到使其延長線交過焦點29達到圖6所示31位置,經(jīng)過拋物面28全反射后的光線在通過傾斜面31的折射后可以平行出射。
圖 7
由于1937年多使用白熾燈作用光源,全球域發(fā)光,Lawrence Harris延長了圓弧29的長度,并且在拋物面以及延長圓弧面部分添加了金屬材料,使光源光線盡可能多的被反射到同一個出射面。并且通過圖7可知,這種折射反射透鏡出射的光線在d、e區(qū)域亮度差別明顯,在d、e兩個區(qū)域內(nèi)部亮度也由中心向邊緣處遞減。
Lawrence Harris又在圖4、圖6的基礎(chǔ)上進行了很多優(yōu)化,但是都是受當時光源的限制,設(shè)計出的透鏡很多已經(jīng)被逐漸淘汰。
圖8
圖9
圖8與圖9設(shè)計的目的是針對當時光源會向各方向發(fā)射光線,提高光強利用率所做的改進,但是對于現(xiàn)代LED等光源而言上述設(shè)計已經(jīng)沒有必要。
圖10
圖11
圖10已經(jīng)非常接近現(xiàn)代TIR透鏡。圖11在圖10基礎(chǔ)上對于部分邊緣光線做了優(yōu)化,使樣條曲線88邊緣處光線可以在出射面86發(fā)生全反射返回拋物曲面89,但是全反射回去光線無法在拋物面89面準直,會折射出該系統(tǒng),造成光能的浪費。其實對于現(xiàn)代TIR透鏡設(shè)計而言,圖11的優(yōu)化沒有必要,可以通過拉近曲面88或者縮小拋物面89張角都可以實現(xiàn)。受限于當時光源尺寸,上述優(yōu)化具有一定時代局限性,但是根據(jù)光源實際設(shè)計、創(chuàng)新的精神值得我們借鑒。
TIR透鏡用于LED照明
現(xiàn)代TIR透鏡主要基于LED光源進行設(shè)計。LED在通用照明條件下,發(fā)光面積小,便于二次光學的設(shè)計,可以解決傳統(tǒng)光源一直無法進行有效光學設(shè)計來獲得精確配光的問題?,F(xiàn)代光學設(shè)計軟件提供光線的追蹤,配光曲線分析等功能,為光學設(shè)計提供了更多的便利。
圖 12
同時,人們對于TIR透鏡的照明勻光性能、外形美觀等方面提出新的需求。于是TIR透鏡又衍生出在透鏡全反射面或者出射面添加各種微結(jié)構(gòu),滿足不同應(yīng)用需求。
圖 13使用TracePro軟件添加微結(jié)構(gòu)
圖13在TIR透鏡側(cè)面添加鱗甲面不僅可以豐富造型,達到美觀的目的,還可以起到勻光的作用。鱗甲面的種類多樣,不同的鱗甲可以賦予系統(tǒng)不同的光學性能。圖13還在出射面添加珠面,起到勻光的效果,解決了磨砂面降低出光強度的弊端。
全反射結(jié)構(gòu)LED非球面透鏡配合表面微結(jié)構(gòu),出射光斑能量利用率可達到90%以上,照度均勻性與色均勻性表現(xiàn)都非常優(yōu)秀。以開玄光電和慧炬光電子聯(lián)合設(shè)計的大功率彩色LED射燈微結(jié)構(gòu)透鏡為例對比實際出光效果,真彩圖如下:
圖15 開玄光電和慧炬光電子聯(lián)合設(shè)計的大功率彩色LED射燈微結(jié)構(gòu)透鏡
縱觀TIR透鏡的發(fā)展歷史、設(shè)計改進的過程,我們不難發(fā)現(xiàn)新的突破往往在早期研究的原始資料中有所體現(xiàn)。雖然這份專利已經(jīng)有近80年的歷史,但我們?nèi)匀荒軓闹械玫揭恍┰O(shè)計靈感和啟發(fā)。
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