本文研究不同孔径无缝微透镜阵列膜LED光线扩散的影响，分析了不同厚度和直径的三角形、四边形和六边形微透镜阵列膜的扩散效果。设计了一种复合曲面微透镜阵列，利用光线追迹方法对其进行模拟，分析微透镜阵列对LED光源发出光线扩散性能的影响。
褚才良1，朱伯明1，陈海军1，陈亮2，李晓艳2，杨凯2
1.宁波燎原灯具股份有限公司，浙江宁波，315408
2.中国计量学院，浙江 杭州 310000
摘要：本文研究不同孔径无缝微透镜阵列膜LED光线扩散的影响，分析了不同厚度和直径的三角形、四边形和六边形微透镜阵列膜的扩散效果。设计了一种复合曲面微透镜阵列，利用光线追迹方法对其进行模拟，分析微透镜阵列对LED光源发出光线扩散性能的影响。
关键词：LED；微透镜阵列；复合曲面；均匀度
CHU Cailiang1, ZHU Boming1, CHEN Haijun1, CHEN Liang2, LI Xiaoyan2, YANG Kai2
（1. Liaoyuan Co., Ltd, Ningbo 315408, China;2.China Jiliang University, Hangzhou 310018,China）
Abstract：This paper uses basic principles of geometrical optics to analyze the gapless microlens array used in LED. Gapless triangular, tetragon, hexagonal and dual-curvature microlens array are studied in the paper. A new composite curved surface microlens array is designed and simulated in order to examine their light luminance and uniformity.
Keywords：LED；microlens array；composite curved surface；uniformity
1 引言
大功率LED应用于照明领域的需要将多个芯片集成形成以满足总光通量的需求，但是目前的多芯片集成的功率LED灯具存在一些明显的缺陷：散热不良导致LED发光效率低，同时影响LED的发光强度和使用寿命；多芯片集成后，各个芯片之间村子间隙，在一定距离内就产生光斑，形成不均匀照明；照明领域的LED都是采用高亮度白光LED，光源指向性高，容易产生眩光。传统的解决眩光和照明不均匀的方法是使用传统扩散膜、扩散板或者对灯具进行磨砂，雾化处理，会带来光效率变差或者眩光消除不佳等问题。随着现如今LED光源在各个领域的广泛应用，因此找到一种更有效的方案解决上述问题对LED在照明领域未来的发展显得尤为重要。
微透镜阵列是最重要的微光学元件中的一种，具有多种独特的光学性质。通过调整微透镜的形状、曲率半径、排布、厚度等参数，微透镜阵列扩散片可对入射光线进行整形、均匀、扩散、聚焦等调制来实现特定的功能。
2 微透镜阵列分类
微透镜阵列型扩散片根据其微透镜的面形、尺寸、占空比和厚度等的不同，可以建立不同的微透镜阵列的模型。微透镜的填充因子和形状是影响光束效率的一个重要的因素。为了得到最多的光的能量，微透镜阵列中透镜所占区域即占空比，应该尽可能的大。无缝隙微透镜阵列占空比接近100%，可以实现较高的传输效率。根据微透镜的孔径形状的不同，无缝隙微透镜阵列可以三角形微透镜、六边形微透镜、四边形微透镜和双曲率形微透镜等。
3 无缝微透镜阵列分析
3.1 厚度对不同孔径形状微透镜阵列影响
以单个微透镜曲率的厚度分别为10μm和20μm，孔径分别为60μm、90μm、120μm，在仿真软件中分别建立三角形微透镜、六边形微透镜、四边形微透镜模型，分析其对光效以及扩散角度的影响。
表一 三角形微透镜阵列
|
厚度 |
10μm |
20μm |
|
直径 |
60μm |
90μm |
120μm |
60μm |
90μm |
120μm |
|
效率 |
95.5% |
94.5% |
94.4% |
94.5% |
93.9% |
93.8% |
|
扩散角度 |
140° |
130° |
122 |
128° |
118° |
115° |
表二 四边形微透镜阵列
|
厚度 |
10μm |
20μm |
|
直径 |
60μm |
90μm |
120μm |
60μm |
90μm |
120μm |
|
光通效率 |
94.8% |
94.7% |
94.6% |
94.2% |
94.6% |
95% |
|
扩散角度 |
130° |
115° |
112° |
100° |
110° |
108° |
表三 六边形微透镜阵列
|
厚度 |
10μm |
20μm |
|
直径 |
60μm |
90μm |
120μm |
60μm |
90μm |
120μm |
|
光通效率 |
94.7% |
94.8% |
94.8% |
94% |
94.7% |
94.7% |
|
扩散角度 |
106° |
115° |
132° |
95° |
105° |
110° |
图1 不同形状微透镜阵列的光学性能
可以得到不同的微透镜形状对扩散角度有不同的影响，如图1所示。通过对比分析，四边形孔径微透镜阵列光利用率最高，而三角孔径微透镜阵列的扩散角度最大，扩散效果最好。
3.2 一种复合曲面微透镜阵列膜设计
通过分析，可以发现三种孔径形状的微透镜阵列膜对LED发出的光线都有一定的扩散作用，但是扩散角度最大只能到130度，远远不能满足多芯片LED对消除眩光和匀光的要求。本论文提出一种新型结构的微透镜阵列膜，该微透镜为四边形孔径，微透镜单元为复合曲面透镜，其结构如图2所示，复合曲面由非球面s1和锥面s2配合构成。
在Tracepro软件中建立该微透镜阵列的三维模型，如图3所示，与多芯片LED光源一起进行光线追迹，其组合系统的发光强度曲线如图4所示，在发光强度曲线上可以看出，光束在-70度到+70度范围内发光强度比较均匀，说明光束扩散角度在140度范围内。
图2 复合曲面微透镜单元结构示意图
图3复合曲面微透镜三维示意图
图4 加上微透镜阵列膜的LED光源发光强度曲线
4 结论
本文研究了微透镜阵列型扩散片对光线的扩散作用，通过对不同类型的微透镜阵列所形成的膜进行对比，得出扩散效果好的微透镜阵列的类型。设计了一种复合曲面微透镜阵列结构，在Tracepro中建立物理模型，利用光线追迹得方法对其性质进行模拟，进而分析微透镜阵列对LED光源发出光线扩散性能的影响。
参考文献
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