LED光源作为新型绿色节能产品，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%的透镜^[11]，但均匀性不高；李鹏等人研制了基于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。

图 1. Scheme diagram of system design系统设计方案图

Fig. 1.

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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]

图 2. Design principle diagram of CPC and FLCPC与FL设计原理图

Fig. 2.

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$ \frac{{\left| {{{{ A}} - {{B}}}} \right| - ({{A - B}}) \cdot (\cos \phi ,\sin \phi )}}{{1 - \cos \varphi }}[\cos (\varphi + \phi ),\sin (\varphi + \phi)] + (0, - d) $ (1)

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； $\phi = \theta + {\rm{90}}^\circ$；同时CPC高度h^[15]由公式（2）求出

$h = \frac{1}{2}(r + d)\cot \theta = d\frac{{(\sin \theta + 1)\cos \theta }}{{2\sin \theta }}$ (2)

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。

图 3. Light path diagram of CPC concentrationCPC聚光光路图

Fig. 3.

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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。

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≤θ_max，θ_max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(z₁，y₁)，经过折射后折射角为 $\alpha $，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

图 4. Schematic diagram of aspheric lens design非球面透镜设计原理图

Fig. 4.

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$\left\{ \begin{array}{l} {{\textit{z}}_n} = \dfrac{{n{{\textit{z}}_n}a{\rm{rccos}}\alpha - a{\rm{arccos}}\alpha + (n - 1)d}}{{n{\rm{arccos}}\alpha - 1}} \\ {y_n} = {y_1} + \tan \alpha [\dfrac{{(n - 1)d - a{\rm{arccos}}\alpha + n{{\textit{z}}_n}{\rm{arccos}}\alpha }}{{n{\rm{arccos}}\alpha - 1}} - {{\textit{z}}_1}] \end{array} \right.$ (3)

将光源发散角进行一定的划分，则对于每一个θ(−θ_max≤θ≤θ_max)，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。

图 5. Model diagram of system simulation device系统仿真装置模型图

Fig. 5.

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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）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。

图 6. Polar candela distribution before and after COB chip light distributionCOB芯片配光前后坎德拉分布图

Fig. 6.

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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。

图 7. Luminosity distribution at different distances不同距离远处的光度分布图

Fig. 7.

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图 7. Luminosity distribution at different distances不同距离远处的光度分布图

Fig. 7.

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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。

图 8.

Fig. 8.

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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，透光率超过90%，非球面透镜通过环氧树脂固定在圆柱支架的端口，菲涅尔透镜固定在CPC的出射口；CPC采用纯铝通过CNC加工而成，内表面经过电镀使得反射率高达95%，反射效果较好。图9（b）内部视图中显示的黄色发光面为COB型LED，半径11 mm，内部通过若干灯珠12串17并而成，整体功率达到100 w。考虑到高功率带来的高热量，使用了图9（a）中所示的鳞片状散热器。将实物装置通电进行实验测试，并在距离装置一定距离处放置接收屏，用于接收装置出射的光束。为了准确获取光束在接收屏上形成的光斑的均匀性，实验采用快速存储光度计分别对光斑水平、竖直中心线方向进行光度值测量，采样间隔为1 cm，光斑边界界定为光强变化显著的位置。

图 9. Physical installation diagram实物装置图

Fig. 9.

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图10为COB芯片驱动功率为100 W时，实物测试获取的光斑的光度值曲线图。图10（a）～（d）分别为光屏距离实物装置出光面0.4，0.7，0.85，1.0 m处的光度值图。图中，正方形、圆形曲线分别代表光斑水平、竖直方向上的光度分布。从图10（a）可以看出，在距离装置发光面0.4 m处，光度分布呈现中间低两边高的特点，中间凹陷区域形成了明显的暗斑，这是因为LED辐射的中心光线在非球面透镜中行进的距离比大角度边缘光线更长，因而会产生更多的吸收损耗，从而导致接受面的照度分布不均匀。如图10（b）～（c）所示，由于系统出射的光束存在一定的发散角度，因此当距离增大时，边缘光线散落分布的区域变大，使得照度值与中心区域趋近相同，接收面光斑中心暗斑逐渐消失，光度分布较为平稳。图10（b）中中心区域曲线很平坦，波动很小，图10（c）中中心区域出现一个小的凸点，平稳性稍差一些。进一步通过数值计算，图10（b）中光斑有效区域的水平、竖直方向光度均匀性分别为96.04%和96.33%；图10（c）中光斑有效区域的水平、竖直方向光度均匀性分别为94.31%和94.65%，相较而言，前者更有优势。如图10（d）所示，当距离进一步增大为1.0 m时，能够辐射到目标面上的边缘光线逐渐变少，边缘区域接收的光通量也会变低，从而光度中心区域分布为中心高，两边低，中心凸起幅度较大，使得整体均匀性较差。综上比较，实验装置发出的光束在距离0.7 m左右的位置形成的光斑均匀性较好，满足目标需求。

图 10. Luminosity distribution at different distances不同距离处光度分布图

Fig. 10.

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为了得到光束的发散角度θ，采用MATLAB对图10中的记录的光度值进行二维细分差值处理，得到光斑的直径为32 cm，通过计算得到光束发散角θ为±7.9°，系统光效计算为60.04%。由于实物加工的误差以及实验测试中热能的损耗，实测结果与仿真结果具有一定的误差，但误差在可接受范围内，基本证明了方案的可行性。

4 结　论

根据非成像光学与几何光学原理，本文基于大功率COB集成光源，以高均匀度的窄光束为设计目标。本文结合透镜与反光杯的优点，以CPC为基础，菲涅尔透镜控制溢散光，非球面透镜准直配光，提出了一种基于COB光源的高均匀度窄光束照明系统。通过TracePro模拟仿真并指导实验测试，结果表明系统可以将功率为100 W的COB光源±80°的发散角准直压缩为±7.9°左右的窄发散角，在照射距离为0.7 m左右的照明中心区域可以获得均匀度高于96.04%的圆形光斑，并且光效也超过60%。相较于现有的单一透镜构造的TIR准直系统，本文研制的窄光束系统实现了大尺寸COB芯片、CPC、透镜和散热器的一体化组合，使用更便利，且照明面上圆形光斑均匀度有6%左右的提升，可适用于机器视觉检测、光脉冲引擎等特种照明领域。