如何使一颗普通LED芯片照射出期望样式的光斑？

谈到照明设计，设计师们往往考虑的是用什么样的灯具，搭配怎样的布局，得到想要的照明结果，这里面灯具的出光分布已经确定，设计师们只需掌握不同灯具的出光效果，结合设计的经验和场景需要，选择出与期望目标的最佳匹配结果即可。

但是，从光源发光到照明灯具最终的出射光线分布，这期间光线发生了什么变化，是否会被浪费，这些问题在照明设计中几乎是不做讨论的，但是却从根本上决定着照明灯具的种类与用途。因此，本文就聊一聊如何使一颗普通LED芯片照射出期望样式的光斑。

首先介绍一些基本概念：

光学设计：

分为成像光学设计和非成像光学设计两大类，成像光学设计常用于相机镜头、望远镜显微镜的镜头设计等领域，主要以设计后的像差大小评价系统性能，常作为工科类高等院校中光电信息工程专业的必修专业课；非成像光学设计以照明设计和光伏聚光器设计为主，主要关注能量的分布变化与利用率。

LED二次光学设计：

为了改变LED的出光分布，通常设计出透镜使光线透射或反射而改变原有的传播方向，为了区别LED的封装设计，这种在LED芯片上设计光学透镜的过程称之为LED二次光学设计。

在照明设计中，射灯常用于局部采光，烘托气氛等场所，也可安置在吊顶四周或家具上部、墙内、墙裙或踢脚线里。利用光线直接照射在需要强调的器物上，以突出主观审美作用，达到重点突出、环境独特、层次丰富、气氛浓郁、缤纷多彩的艺术效果。

对于射灯的设计而言，光线的出光角度较小，能量较为集中，而LED光源通常的出光角度为120°，且能量较为分散，因此需要在LED芯片上添加二次光学设计，利用设计出的透镜对光线准直，在不浪费能量的前提下提升照明光源的方向性，减小出光角度。

下面简单介绍一种具备准直作用透镜的设计方法。

首先我们要清楚光线被准直后理想状态会成为相互平行的光线出射，因此该透镜的作用就是将LED发出的光线变成平行光。

如图，这里画出了透镜截面的一半，由于透镜是旋转对称的，将图中所示部分沿轴线旋转一周即可得到透镜实体。将图中所示透镜部分分为两个区域：区域1和区域2，其中区域1 将LED发出的光线经过反射再折射后平行出射；区域2 则通过两次折射后使光线平行出射。

▲图一

这里的区域1和区域2之间是完美衔接的，因此不存在光线的浪费。当然，在设计过程中还需要计算区域1中透镜的表面上入射光线是否满足全反射条件等等细节问题，由于所涉及的内容较为专业，这里不再赘述。

在设计完光学透镜的轮廓后，通常的做法是利用光线追迹软件进行模拟仿真来验证所设计结构的正确性。目前市面上较为常见的光学仿真软件是LightTools和TracePro，两款软件的仿真效果相差不大，前者可视化效果较完善，后者更易于操作。

下图为对所设计的准直透镜进行光线追迹的结果，在这个图中能够看到透镜的截面全貌，LED光源被放置在透镜最左侧的中心处，设置LED出光角度为120°，可以看到光线能够按照既定方式分两部分进行传播，最终平行出射。

▲图二

在对光学透镜进行光线追迹仿真后，能够在目标照明平面上形成照明光斑，为了对比LED在加入光学准直透镜前后照明光斑的差异，分别对LED芯片本身和加入光学透镜后的光斑分布进行了仿真实验。

加入光学透镜前在照明平面的照度分布如下图，图中左图为LED光源在不加任何透镜时照明平面上的光斑，从左侧的能量条发现，光斑中心能量极强，但周围能量下降很快。

这种照明情况下，很容易在照明区域的中心形成眩光影响所照明物体的有效信息，而照明区域的边缘几乎没有光线到达，同样会阻碍视线。图中右图曲线与左图中信息一致，曲线中心部分是一个突起，两边迅速下降，说明照明光斑的均匀性极差。

▲图三

加入光学透镜后在照明平面的照度分布如下图，图中左图为LED光源在加入准直透镜后照明平面上的光斑，圆形光斑颜色绝大多数呈现黄色，只有临近光斑边缘出现少量绿色蓝色圆环并迅速与黑色背景融为一体，说明照明区域与背景区域亮暗分明，利于照明目标有效信息的提取。

这种照明情况下，无论是照明中心还是其他照明区域照度十分接近，不会产生眩光及亮度不足的情况。图中右图曲线与左图中信息一致，曲线中心部分始终保持同一水平，在非照明区域迅速下降，说明光斑的均匀性极好前提下光能的利用率极高。

▲图四

以上是通过光线追迹软件仿真的实验结果，仿真实验结果接近实际的光斑效果，但不能取代实际结果，这是因为在实际的光学实验测试中，LED芯片尺寸、透镜材料选择、实验测试环境等因素会直接影响透镜的出光效果，因此验证设计方法最有效的办法就是实际加工出一个这样的光学透镜并通过多次实验验证设计方法的正确与否。

这里我们借助五轴数控机床对所设计的准直透镜进行加工，加工细节不再赘述，加工得到的透镜实体如图所示。

▲图五

采用型号为LXML-PL01琥珀色LED作为光源，该LED光源的强度分布为近似朗伯分布，并按照下图搭建实验测试平台。目标照明平面为一款厚度为2mm的亚克力板，相机从亚克力板的正后方记录实验结果，并将计算机与相机相连，能够实时分析相机所拍摄到的光斑变化情况，便于记录实验数据。

▲图六

从图中计算机显示器中得到的光斑来看，与光学软件仿真结果相差无异，根据后期图像处理后对光斑的分析能够得到满足使用要求的光能利用率以及照度均匀性(文中未给出)。至此，一颗具备准直光线作用的光学透镜制作完毕，而制作的全部过程就是对LED进行二次光学设计的过程。

这样制作出的光学透镜成本较高，并不适用于产业化，只是为了科研中的实验制备；在已经确定产品各方面性能均满足使用要求的情况下，就可以采用注塑磨具的方式大批量生产了。

小结

由于市场的普及程度有限，目前光学准直透镜的方式在射灯中的应用还不是很多，只在高端LED射灯中偶有应用。但是，随着LED产业的不断发展，光学透镜的应用将会更加广泛，LED二次光学设计也会在其中扮演更重要的角色。

来源 | 阿拉丁新媒体

作者 | 尹鹏