單芯大功率LED勻光照明陣列的設計

甘振華+杜民++高躍明+熊保平+楊丕胤

摘要： 為構造大功率LED激發Cy3/Cy5熒光染料的均勻面照明系統，選擇單芯大功率LED芯片PT54TE設計了紅綠雙通道勻光照明陣列。首先通過分析單芯大功率LED芯片PT54TE輻射強度的分布，建立大功率LED環形照明陣列的模型；然后為提高光線利用率，在LED外側建立柱面鏡反射結構，并通過斯派羅法則求解該結構的參數；最后由Tracepro仿真驗證。研究表明，分別由4顆紅/綠PT54TE構成的環形陣列在目標平面（30 mm×30 mm）內的光照均勻度大于95.4%，光通量大于700 lm，比未配置柱面鏡反射結構的環形陣列的光通量至少提高了52.5%。

關鍵詞： 勻光照明； 大功率LED； PT54TE； Cy3/Cy5； 熒光檢測

中圖分類號： TH 776文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.007

Abstract： The singlecore highpower LED chip of PT54TE was chosen to design the red and the green illumination array for a uniform illumination system which excited the fluorescent dye of Cy3/Cy5. Firstly， by analyzing the distribution of the intensity radiation of a singlecore highpower LED chip of PT54TE， an illumination model of highpower LED for the ringshaped arrangement was established. Then， in order to improve the utilization rate of the light， a cylindrical mirror reflection structure was built on the outside of the LED， and the parameters of the structure were solved by the laws of Spyro. Finally， the simulation results of Tracepro show that the illumination uniformity of the target plane （30mm by 30mm） was more than 95.4%， and the flux was greater than 700 lumens， which increased at least 52.5% compared with the ringshaped arrangement without the cylindrical mirror reflection structure.

Keywords： uniform illumination； high power LED； PT54TE； Cy3/Cy5； fluorescent detection

引言

基于CCD圖像處理的熒光定量檢測系統，需要均勻的面照明并配合冷卻型CCD積分采集所激發產生的熒光光子。由于熒光標記物一般需要較強的激發光源和較高的均勻度，商業化的檢測儀常以激光二極管對X/Y方向進行均勻掃描或使用高壓汞燈、氙燈進行聚光照明。由于激光二極管功率較小和具有典型的高斯分布，為提高功率密度和消除高斯分布影響，X/Y掃描時激光束聚焦達到微米級別，造成掃描速度緩慢。而高壓汞燈和氙燈均為高壓氣體燈，工作啟停時間長，發熱量大，壽命短。隨著半導體工藝的發展，目前LED已經實現高效率的大功率發射，如美國Luminus Devices公司的單芯LED芯片PT54TE，其發光面積5.4 mm2，紅/綠單色可產生高達4.1 W的光輻射輸出，光通量超過1 000 lm，這使得大功率LED的光照設計大為簡單[1]。LED芯片具有許多的優點，光輸出穩定度高、壽命長、光強可精確控制，單色大功率LED和高壓汞燈、氙燈相比，有效的光譜能量更集中，是產生大功率單色光的最佳器件，可以代替常用的高壓汞燈或氙燈[2]。

雖然單顆大功率LED的能量密度大幅提升，但單個LED的功率依然不能滿足大面積、高亮度的照明要求。因LED是非相干光源，多個LED的照明作用可以等效為其單個照明的線性疊加。考慮到目標平面要求光照度均勻分布，最有效的方法是使用LED陣列，采用優化排布方式和投射距離，以實現激發光的照明強度和均勻度的要求[3]。

采用優化設計的大功率LED陣列代替高壓汞燈或氙燈作為熒光激發光源，再由冷卻型CCD相機積分采集所產生的熒光光子，其檢測速度較快，高精度運動部件少，成本也較低[4]。

1原理

2實驗結果和分析

照明陣列使用8顆大功率單芯LED芯片PT54TE，紅綠各使用4顆，其中每顆紅色PT54TER光輻射4.1 W，綠色PT54TEG光輻射4.5 W。由于PT54TE紅綠LED的半光強角θ1/2均約60°，其光輻射模式m的取值基本一致。

首先將4顆紅色LED芯片PT54TEG采用間隔90°布置，分布在45°、135°、225°和315°的位置；將4顆綠色大功率LED芯片PT54TEG布置相對于紅色LED的位置錯開45°，分布在0°、90°、180°和270°的位置，其分布如圖3所示。

環形陣列勻光照明設計

設定圖3中的4顆紅色PT54TER的分布半徑為ρ1=30 mm，因N=4，m=1，由MATLAB求解式（8）可得z=36.74 mm。

由于目標平面和LED的安裝位置相互固定，PT54TEG綠色LED的投射高度z和PT54TER的取值一致，由式（8）可知LED環形陣列在滿足斯派羅法則的情況下，陣列結構參數與LED的光強I0無關。求解式（8）可得PT54TEG的分布半徑ρ′1=30 mm，與紅色LED芯片PT54TER的分布半徑ρ1一致。

上述設計的PT54TE大功率LED的環型陣列，對紅綠通道分別使用Tracepro軟件進行仿真。

由于PT54TE仍是一個面光源，根據PT54TE規格書的參數，由面光源特性生成器工具，分別構建PT54TER紅色LED和PT54TEG綠色LED的面光源模型，并在Tracepro內按圖3所示的陣列結構和半徑ρ1環型排布LED。當PT54TER紅色大功率LED在光輻射輸出4.1 W、N=4、ρ1=30 mm和z=36.74 mm時，追跡2×106條光線，其照明分布如圖4所示。

均勻度檢測使用五點測量法，將目標面內的最小照度值除以最大照度值就可以得到目標面的照度均勻度[13]。紅色通道LED陣列的均勻照明區域在坐標的中心位置-15 mm至+15 mm，歸一化的最小照度為0.925，最大照度為0.970，照明均勻度大于95.3%，平均光通量大于459 lm。

當PT54TEG綠色大功率LED在光輻射輸出4.5 W、N=4、ρ1=30 mm和z=36.74 mm時，追跡2×106條光線，其照明分布如圖5所示。

綠色通道的均勻照明區域在坐標的中心位置-15 mm至+15 mm，歸一化的最小照度為0.935，最大照度為0.980，照明均勻度大于95.4%，平均光通量大于727 lm。

2.2配置內反射柱面鏡的PT54TE環形陣列勻光照明設計

為了更有效地提高LED光線的利用率，在上述環形陣列的LED芯片外側，采用8片全反射矩形鏡片，組成一個八邊形柱面，柱面內壁鏡片有全反射膜。假定鏡面反射率100%并忽略二次反射的影響，相當于在鏡像位置擴展出一個相應的LED′，且半徑ρ2=ρ1+2ρt，其分布的環形陣列及鏡像結構如圖6所示，單顆LED及鏡像效果的等效光路如圖7所示。

設定窄帶濾光片半徑為5 mm，則LED距離反射鏡內壁的最小距離ρt=5 mm；設紅綠共8顆PT54TE的分布半徑均為30 mm，即圓環半徑ρ1=30 mm，則鏡像LED′的分布半徑ρ2=ρ1+2ρt=40 mm，由MATLAB求解式（9）可得z=40.81 mm。

Cy3/Cy5生物芯片在檢測臺x′y′平面上所需要的矩形均勻光斑的尺寸為30 mm×30 mm，其外切圓的直徑d=42.2 mm。在圖6和圖7所示的結構中，所配備的具有內反射功能的八邊形柱面內壁的每片矩形鏡片高z=40.81 mm，寬a=2（ρ1+ρt）tan22.5°=29.0 mm。設鏡像LED′經過該柱面鏡片投射到x′y′平面時的實際光斑寬度為B1B2，則由相似三角形ΔA3K2K3和ΔA3K1K4、相似三角形ΔA3A1A2和ΔA3B1B2的邊比關系可得：

求解式（10）有B1B2=a（ρ2-21.1 mm）/ρt=109.6 mm> 42.2 mm，所以鏡像LED′經過柱面鏡片等效投射到目標平面30 mm×30 mm面積內的光線，沒有缺失。針對設計的PT54TE大功率LED等效的雙環型陣列，使用Tracepro軟件分別對其紅綠通道進行仿真。

當PT54TER紅色大功率LED在光輻射輸出4.1 W、N=4、ρ1=30 mm、ρ2=40 mm和z=40.81 mm時，追跡4×106條光線，其照明分布如圖8所示。

紅色通道的均勻照明區域在坐標的中心位置-15 mm至+15 mm，歸一化的最小照度為0.930，最大照度為0.970，照明均勻度大于95.8%，平均光通量大于700 lm。

當PT54TEG綠色大功率LED在光輻射輸出4.5 W、N=4、ρ1=30 mm、ρ2=40 mm和z=40.81 mm時，追跡4×106條光線，其照明分布如圖9所示。

綠色通道的均勻照明區域在坐標的中心位置-15 mm至+15 mm，歸一化的最小照度為0.945，最大照度為0.990，照明均勻度大于95.4%，平均光通量大于1 114 lm。

3結論

設計了由4顆紅色PT54TER和4顆綠色PT54TEG單芯大功率LED并配置八邊形內反射鏡片所組成的雙通道照明陣列，使用Tracepro追跡4×106條光線，仿真表明在目標平面（30 mm×30 mm）內的照明強度和均勻度均較高，其超過700 lm的光通量和95.4%的均勻度，相比于未配置反射鏡片的環形陣列，照明均勻度略優但光通量至少提高52.5%，同時該陣列沒有復雜的光學鏡片系統，結構簡單，軸向尺寸緊湊，具有一定的優越性。

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（編輯：劉鐵英）