基于提高LED陣列遠(yuǎn)場(chǎng)照度的設(shè)計(jì)

涂 浩 陳家璧 秦 漢 夏冠群 楊潔翔

(1.上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093;2.上海半導(dǎo)體照明工程技術(shù)研究中心，上海 201203)

1 引言

從20世紀(jì)60年代第一個(gè)發(fā)光二極管問世以來，LED經(jīng)歷了50多年的發(fā)展。LED的發(fā)光效率雖然不高，但是它的光譜幾乎可以全部集中于可見光區(qū)域，并且效率可至80%～90%，而傳統(tǒng)的白熾燈可見光轉(zhuǎn)換效率只有10% ～20%［1］。由于LED具有體積小、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)，并且有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，其已經(jīng)應(yīng)用在了很多方面，它也將在不久后會(huì)全部取替白熾燈等傳統(tǒng)光源，同時(shí)，大幅度的半導(dǎo)體照明應(yīng)用將在很大程度上節(jié)約能源，也會(huì)減少二氧化碳的排放量和熒光燈的汞污染，屬于綠色光源。因此，著力發(fā)展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)對(duì)我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有很大的意義［2］。

目前，LED照明光源的光通量與熒光燈等常用光源相比，還有一定差距，因此，LED要在照明領(lǐng)域發(fā)展，關(guān)鍵是要將其發(fā)光效率、光通量等提高到現(xiàn)有照明光源的等級(jí)。要實(shí)現(xiàn)這一目的，首先要提高LED本身的質(zhì)量，要研制高功率并且高效的LED器件，另外要對(duì)LED照明燈具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高其使用效率，因此研究LED光源二次光學(xué)配光設(shè)計(jì)，滿足大功率LED照明配光需求極為迫切［3］。本文在LED陣列外加反光杯與光學(xué)透鏡，模擬二次光學(xué)設(shè)計(jì)，可以提高器件的發(fā)光效率。由于在實(shí)際照明中，需要在某一特定距離處達(dá)到照度大小的要求，比如建筑物的照明、街景的照明等。針對(duì)此問題，本文以“LED照明技術(shù)在外灘建筑群中的示范應(yīng)用”課題為指導(dǎo)，研究LED遠(yuǎn)場(chǎng)照明的設(shè)計(jì)問題。

2 計(jì)算機(jī)輔助軟件的介紹

本論文采用的軟件是Lighttools，是ORA公司研制的三維實(shí)體建模軟件，可以直接描述光學(xué)系統(tǒng)中的光源、反光杯以及透鏡。光線在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的傳播遵循幾何光學(xué)的反射定律和折射定律［4］。根據(jù)光線在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)傳播方式的不同，通常計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)設(shè)計(jì)軟件分為兩類，序列光線追跡和非序列光線追跡，前者主要應(yīng)用于成像光學(xué)系統(tǒng)，而后者主要應(yīng)用于非成像光學(xué)系統(tǒng)，如照明光學(xué)系統(tǒng)、投影光學(xué)系統(tǒng)等。照明光學(xué)系統(tǒng)是一種非成像系統(tǒng)，它注重的是能量分配而不是信息傳遞。它分為三個(gè)部分，光源，光學(xué)系統(tǒng)，照明平面。一般來說，對(duì)照明面的要求大多是對(duì)光照度的要求［5］。照明光學(xué)系統(tǒng)屬于非序列光線追跡，非序列光線追跡分析需要光源發(fā)出的按一定空間光強(qiáng)分布的大量隨機(jī)光線，在非序列光線追跡中，光線與系統(tǒng)中各個(gè)界面相交的順序是不確定的。

LED光源發(fā)出的光在出射時(shí)的位置、方向都是未知的，這些隨機(jī)出射光線的位置、方向以及行進(jìn)過程中與各界面所產(chǎn)生的反射、折射、散射、吸收都需要用蒙特卡羅 (Monte Carlo)方法來模擬。首先建立一個(gè)與求解有關(guān)的概率模型或隨機(jī)過程，使它的參數(shù)等于所求問題的解，然后通過對(duì)模型或過程的觀察或抽樣試驗(yàn)來計(jì)算所求參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，最后給出所求解的近似值，因此LED光學(xué)系統(tǒng)的一次和二次光學(xué)設(shè)計(jì)都需要追跡大量的光線來達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)性能分析的準(zhǔn)確性［6］。

3 LED陣列的布局與二次光學(xué)設(shè)計(jì)的介紹

照明光學(xué)設(shè)計(jì)分為一次光學(xué)設(shè)計(jì)和二次光學(xué)設(shè)計(jì)。前者就是LED發(fā)光管的內(nèi)部設(shè)計(jì)，一旦LED成型了，一次光學(xué)設(shè)計(jì)也就完成好了，一次光學(xué)設(shè)計(jì)決定了LED出光后的空間光強(qiáng)分布。LED的二次光學(xué)設(shè)計(jì)是在配有LED的燈具內(nèi)，通過加反光杯，透鏡等，使得整個(gè)系統(tǒng)的法向光強(qiáng)得到提高，從而更有效合理的利用有限的光能量［7］。

在選擇LED光源時(shí)，要考慮LED的尺寸、排列、功率、發(fā)光角度等問題，以實(shí)現(xiàn)較高的光能利用率。項(xiàng)目采用的單芯片為CREE公司研發(fā)的XM-L芯片，芯片尺寸為5mm×5mm，高度為3mm。以150W投光燈為例，根據(jù)照明需求及LED型號(hào)，由于正常工作時(shí)，LED功率為6.2w左右，因此需24顆芯片。為達(dá)到一定的光通量，且光照分布均勻，通常采用多芯片陣列，作為面光源使用，增加LED的排列也就相當(dāng)于增加發(fā)光有效面積，LED芯片組成光源模組 (如圖1(a)所示)。考慮到設(shè)計(jì)要求中半光強(qiáng)角為15度，即小角度出光，將LED陣列設(shè)計(jì)為圓形，以同心圓的排列方式?？紤]到鋁基板走線問題，設(shè)置第一圈圓直徑18mm，;第二圈圓直徑28.6mm，第三圈圓直徑37.5mm，第四圈圓直徑43mm。四圓均為六個(gè)單顆LED等圓周分布 (如圖1(b)所示)。通過仿真，得到了光源陣列的光強(qiáng)分布圖 (如圖1(c)所示)，由圖可以看出，半光強(qiáng)角為60度左右，符合朗伯分布。

圖1 Lighttools光源仿真圖Fig.1 Lighttools light source simulation figure

圍繞非成像光學(xué)系統(tǒng)的兩大核心問題，即光強(qiáng)和光照度，展開對(duì)LED照明光學(xué)系統(tǒng)的研究［8］。用光學(xué)仿真軟件對(duì)LED進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，提高LED的法向光強(qiáng)大小。

4 反光杯的光學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 反光杯幾何尺寸的確定

將單顆型號(hào)XM-L芯片導(dǎo)入軟件，未加反光杯的情況下，在20m和40m處建立接收面，得到的照度圖如圖2所示。

圖2 位于20m處和40m處的照度圖 (模擬光線條數(shù)100W，未加反光杯)Fig.2 The illumination intensity figure located in 20m and 40m(10 million arrays simulation，no reflective cup)

從結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，要達(dá)到40m處接收面照度達(dá)到人眼可以觀測(cè)的程度20lx，需采取一定的措施，在比較不同形式的非成像光學(xué)組件后，結(jié)合實(shí)際情況最終選擇反光杯和透鏡與LED構(gòu)成系統(tǒng)，使該種投射器能滿足給定的出射光角度要求，并在目標(biāo)照射面內(nèi)達(dá)到照明要求［9］。二次光學(xué)設(shè)計(jì)所采用的模型通過微加工而成，其形狀可以控制LED器件的發(fā)散角度，把光源出射的光導(dǎo)向所要的工作空間。考慮到從拋物面焦點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)過反光杯會(huì)平行出射，實(shí)驗(yàn)中先將反光杯面型定為拋物面。通過安裝反光杯，使發(fā)出的光線準(zhǔn)直聚焦［10］。

拋物面反光杯切面圖如圖3所示，可知拋物面在焦平面處的截面圓直徑為4f，其中:D為反光杯口徑大小，f為焦距 (拋物線頂點(diǎn)O到焦點(diǎn)F的距離)，L為拋物線焦點(diǎn)F到出光口的距離，d為反光杯總長(zhǎng)度。由于在一定的口徑下，焦距越大，反光杯越淺，這樣越達(dá)不到聚光的作用，并考慮到光源模組的尺寸(鋁基板外徑Φ=56mm)，選擇計(jì)算f=16、18、20、22mm時(shí)的反光杯口徑對(duì)配光的影響［11］。

圖3 反光杯切面圖Fig.3 The cutting plane figure of the reflective cup

為了確定反光杯的最佳尺寸，我們對(duì)反光杯口徑D、40m處光照度、光學(xué)效率這幾個(gè)量的關(guān)系進(jìn)行模擬分析，為了仿真結(jié)果更接近于真實(shí)情況，將反光杯反射面的反射率設(shè)為85%，并將實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的XM-L燈具的光通量值416lm數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件中。之后，通過對(duì)出光口徑D和焦距f進(jìn)行參數(shù)靈敏度分析，將反光杯焦距設(shè)為 f=16、18、20、22mm，且光源陣列位于焦平面時(shí):得到的結(jié)果如圖4所示，遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)剖切圖如圖5所示。

由圖5分析可得，同一焦距下，D與效率E成反比，同一D下，f與照度E也成反比。要滿足要求，半光強(qiáng)角A需盡量小，40m處照度足夠大，且反光杯整體長(zhǎng)度未超過限度，最后確定D=180mm，f=20mm時(shí)，反光杯面型最佳。

圖4 40m處D-A，D-E，D-Elux關(guān)系圖Fig.4 The relationship figure of D-A，D-E，D-Eluxlocated in 40m

圖5 遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)剖切圖 (水平方向)Fig.5 The intensity distribution figure(Horizontal direction)

但是此時(shí)的半光強(qiáng)角太大。從圖5可以看出，光強(qiáng)存在雙峰現(xiàn)象，由于軟件在讀取半光強(qiáng)角的大小時(shí)，默認(rèn)選取中心光強(qiáng)的一半來讀取，但實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，中心光強(qiáng)并非光強(qiáng)的最大值，因此需要進(jìn)行手動(dòng)讀取，通過模擬，得到在D=180mm，f=20mm時(shí)，半光強(qiáng)角為11.2度左右，滿足條件，可以達(dá)到要求。

確定D與f之后，對(duì)確定的反光杯進(jìn)行配光分析，得到40m處的照度圖如圖6所示。

由遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)剖切圖可以看出，光強(qiáng)存在凹陷，說明光源位于焦平面處不太合理，需進(jìn)行離焦分析。在離焦分析之前，由于光源的前后移動(dòng)可能會(huì)與反光杯尾部發(fā)生接觸，并考慮到散熱及燈具美觀，將反光杯的底部進(jìn)行切割處理，以便放置散熱器。分別在焦平面前后方5mm及焦平面處3個(gè)位置處進(jìn)行切割，由于切割之后，光源的離焦移動(dòng)可能會(huì)損失部分光能，因此，在切割之后的反光杯底部加圓柱形蒙皮，將蒙皮長(zhǎng)度確定為20mm，內(nèi)壁反射率同樣設(shè)為85%。在不同切割距離處，通過光源離焦分析，得到40m處照度、效率及半光強(qiáng)角的關(guān)系如圖7所示。

經(jīng)過數(shù)據(jù)對(duì)比，在不同位置切除反光杯底端后，配光效果差異很小。要滿足半光強(qiáng)角A在15度左右，且照度滿足要求，最后確定在焦平面右側(cè)5mm處切割，且通過離焦分析，發(fā)現(xiàn)光源陣列在z=27mm時(shí)，即在焦平面右側(cè)7mm處達(dá)到最佳，半光強(qiáng)角最小，最聚光，為11.7度，此時(shí)最大照度為16.7lx，此時(shí)強(qiáng)度剖切圖 (如圖8(a)所示)和照度圖 (如圖8(c)所示)以及最終設(shè)計(jì)的反光杯三維模型如圖8(b)所示。

圖6 40m處照度圖Fig.6 The illumination intensity figure located in 40m

圖7 不同位置切割反光杯，光源位置Z從0到40mm時(shí)關(guān)系圖 (Z=20時(shí)為焦平面處)Fig.7 The relationship figure of light source position changes from 0 to 40m on the basis of different cutting location(Z=20 is the focal plane place)

圖8 光源陣列加反光杯仿真圖Fig.8 The simulation figure of light array with reflective cup

由分析可知，光源離焦對(duì)配光效果影響很大，因此，在反光杯實(shí)際加工時(shí)，需在其內(nèi)部設(shè)計(jì)微調(diào)裝置來確定最佳位置。

5 透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)

5.1 透鏡的形狀確定

用于LED照明的光學(xué)準(zhǔn)直器主要有兩種，透鏡和反光杯。LED光源發(fā)出的初始光在經(jīng)過反光杯全反射準(zhǔn)直之后，都會(huì)以同一準(zhǔn)直方向出射［12］，從以上分析可以看出，LED陣列在加了反光杯之后，照度大小仍然不能達(dá)到最佳，因此，需要在反光杯內(nèi)增加透鏡來達(dá)到要求。透鏡材料選擇PMMA，俗稱有機(jī)玻璃，是迄今為止合成透明材料中質(zhì)地最優(yōu)異，價(jià)格又比較適宜的品種，折射率約為1.4［13］。

通過幾何光學(xué)分析，得出加透鏡有兩種方法，第一種，在出光口處加透鏡;第二種，為了避開反光杯出射的平行光，將透鏡放在反光杯內(nèi)某一位置。

按照第一種情況，在出光口加透鏡。保持前口徑不變，改變后口徑曲率，看對(duì)照度大小的影響，確定最佳曲率。為確定后表面的曲率半徑，首先對(duì)后表面曲率半徑和40m處照度最大值之間進(jìn)行了靈敏度分析 (如圖9所示)，以確定最佳的優(yōu)化起始面型，減少優(yōu)化耗時(shí)。

圖9 不同曲率半徑與40m處最大照度及半光強(qiáng)角的關(guān)系Fig.9 The relationship figure of the half beam angle and maximum illumination intensity of 40m on the basis of different curve radius

當(dāng)半徑為R=92.2mm，最大照度為27.08lx，此時(shí)半光強(qiáng)角為11度，滿足條件。

5.2 透鏡的位置確定

按照第二種情況，先在3個(gè)位置進(jìn)行模擬，將透鏡放置于距光源25mm，50mm，74.25mm處，如圖10所示，確定后口徑半徑，觀察改變后口徑曲率對(duì)40m處照度的影響。

圖10 反光杯內(nèi)加透鏡模擬圖Fig.10 The simulation figure for reflective cup with lens

為了避開反光杯出射的平行光，設(shè)邊緣直線L1方程為

其中:k——直線斜率，由于 L1通過點(diǎn) (0，23)，(74.25，90)，可得出直線方程為

此時(shí)的y即為透鏡前表面直徑。將透鏡放在反光杯內(nèi)不同位置，得到的不同曲率半徑與最大照度關(guān)系如圖11所示。

當(dāng)x=25時(shí)，R=40mm照度達(dá)到最大，為19.3lx;x=50時(shí)，R=66.7mm時(shí)，照度達(dá)到最大，為25.3lx。

圖11 反光杯內(nèi)不同位置加透鏡，透鏡半徑與Emax關(guān)系圖Fig.11 The relationship figure of lens radius and maximum illumination intensity of 40m on the basis of different location in the reflective cup

由分析，最終確定，R=92.2mm時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)照度值最大，為27.08lx，滿足照度要求，因此確定在出光口處加透鏡。

考慮到透鏡厚度對(duì)光能的影響及加工費(fèi)用等因素，將透鏡做成菲涅爾透鏡，其工作原理十分簡(jiǎn)單，由于透鏡的折射能量絕大部分發(fā)生在光學(xué)表面，拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度，可達(dá)到同樣的效果，而且成本比普通的凸透鏡低很多［14］。保持厚度d=5mm，最終面型如圖12所示。

6 總結(jié)

圖12 設(shè)計(jì)的透鏡及其對(duì)應(yīng)的菲涅爾透鏡Fig.12 The designed lens and the corresponding Fresnel lens

本文介紹了一種基于提高LED遠(yuǎn)場(chǎng)照度的新型二次光學(xué)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用反光杯和菲涅爾透鏡組合，首先用反光杯對(duì)來自LED光源的光線進(jìn)行準(zhǔn)直處理，再通過菲涅爾透鏡對(duì)準(zhǔn)直光能進(jìn)行再分布，最終在目標(biāo)面上獲得滿足要求的照明。設(shè)計(jì)解決了LED遠(yuǎn)場(chǎng)處照度大小不能滿足要求的問題，得到比現(xiàn)有設(shè)計(jì)更高的照度大小、傳輸效率，具有更高的實(shí)用價(jià)值。另一方面，從菲涅爾透鏡的設(shè)計(jì)可以看到，光能在經(jīng)過反光杯準(zhǔn)直之后，便可以將設(shè)計(jì)重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到菲涅爾透鏡的幾何參數(shù)上，舍棄了不必要的考慮因素，使得二次光學(xué)設(shè)計(jì)更加獨(dú)立化和富有針對(duì)性，大大減少了設(shè)計(jì)周期。

實(shí)驗(yàn)表明，基于反光杯及透鏡結(jié)構(gòu)的LED準(zhǔn)直系統(tǒng)具有光能利用率高、體積小、便于應(yīng)用等特點(diǎn)。通過Lighttools軟件仿真分析了拋物面反光杯的出光口徑、焦距等參數(shù)對(duì)LED光源在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)光照度的影響。由設(shè)計(jì)結(jié)果可知，該方法對(duì)于設(shè)計(jì)不同系列燈具可以做到簡(jiǎn)潔高效，易于掌握，便于設(shè)計(jì)人員在燈具設(shè)計(jì)前對(duì)要設(shè)計(jì)的反光杯及透鏡的幾何參數(shù)有一定的宏觀把握，可以為以后燈具的結(jié)構(gòu)及配光設(shè)計(jì)提供一些依據(jù)。

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