基于提高LED陣列遠場照度的設計

1 引言

從20世紀60年代第一個發光二極管問世以來，LED經歷了50多年的發展.LED的發光效率雖然不高，但是它的光譜幾乎可以全部集中于可見光區域，并且效率可至80%一90%,而傳統的白熾燈可見光轉換效率只有10%~20%.由于LED具有體積小.響應快.壽命長，并且有節能.環保等優點，其已經應用在了很多方面，它也將在不久后會全部取替白熾燈等傳統光源，同時，大幅度的半導體照明應用將在很大程度上節約能源，也會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，著力發展半導體照明產業對我國經濟的可持續發展戰略具有很大的意義.

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要在照明領域發展，關鍵是要將其發光效率.光通量等提高到現有照明光源的等級.要實現這一目的，首先要提高LED本身的質量，要研制高功率并且高效的LED器件，另外要對LED照明燈具進行優化設計，提高其使用效率，因此研究LED光源二次光學配光設計，滿足大功率LED照明配光需求極為迫切.本文在LED陣列外加反光杯與光學透鏡，模擬二次光學設計，可以提高器件的發光效率.由于在實際照明中，需要在某一特定距離處達到照度大小的要求，比如建筑物的照明.街景的照明等.針對此問題，本文以“LED照明技術在外灘建筑群中的示范應用”課題為指導，研究LED遠場照明的設計問題.

2計算機輔助軟件的介紹

本論文采用的軟件是Lighttools,是ORA公司研制的三維實體建模軟件，可以直接描述光學系統中的光源.反光杯以及透鏡.光線在光學系統內的傳播遵循幾何光學的反射定律和折射定律.根據光線在光學系統內傳播方式的不同，通常計算機輔助光學設計軟件分為兩類，序列光線追跡和非序列光線追跡，前者主要應用于成像光學系統，而后者主要應用于非成像光學系統，如照明光學系統.投影光學系統等.照明光學系統是一種非成像系統，它注重的是能量分配而不是信息傳遞.它分為三個部分，光源，光學系統，照明平面.一般來說，對照明面的要求大多是對光照度的要求.照明光學系統屬于非序列光線追跡，非序列光線追跡分析需要光源發出的按一定空間光強分布的大量隨機光線，在非序列光線追跡中，光線與系統中各個界面相交的順序是不確定的.

LED光源發出的光在出射時的位置.方向都是未知的，這些隨機出射光線的位置.方向以及行進過程中與各界面所產生的反射.折射.散射.吸收都需要用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法來模擬.首先建立一個與求解有關的概率模型或隨機過程，使它的參數等于所求問題的解，然后通過對模型或過程的觀察或抽樣試驗來計算所求參數的統計特征，最后給出所求解的近似值，因此LED光學系統的一次和二次光學設計都需要追跡大量的光線來達到光學系統性能分析的準確性.

3 LED陣列的布局與二次光學設計的介紹

照明光學設計分為一次光學設計和二次光學設計.前者就是LED發光管的內部設計，一旦LED成型了，一次光學設計也就完成好了，一次光學設計決定了LED出光后的空間光強分布.LED的二次光學設計是在配有LED的燈具內，通過加反光杯，透鏡等，使得整個系統的法向光強得到提高，從而更有效合理的利用有限的光能.

在選擇LED光源時，要考慮LED的尺寸.排列.功率.發光角度等問題，以實現較高的光能利用率.項目采用的單芯片為CREE公司研發的xM-L芯片，芯片尺寸為5mm×5mm,高度為3mm.以150W投光燈為例，根據照明需求及LED型號，由于正常工作時，LED功率為6.2w左右，因此需24顆芯片.為達到一定的光通量，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的排列也就相當于增加發光有效面積，LED芯片組成光源模組(如圖1(a)所示).考慮到設計要求中半光強角為15度，即小角度出光，將LED陣列設計為圓形，以同心圓的排列方式.考慮到鋁基板走線問題，設置第一圈圓直徑18mm,;第二圈圓直徑28.6mm,第三圈圓直徑37.5mm,第四圈圓直徑43mm.四圓均為六個單顆LED等圓周分布(如圖l(b)所示).通過仿真，得到了光源陣列的光強分布圖(如圖1(c)所示)，由圖可以看出，半光強角為60度左右，符合朗伯分布.

圍繞非成像光學系統的兩大核心問題，即光強和光照度，展開對LED照明光學系統的研究.用光學仿真軟件對LED進行二次光學設計，提高LED的法向光強大小.

4反光杯的光學設計

4.1 反光杯幾何尺寸的確定

將單顆型號xM-L芯片導人軟件，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.

從結果可以發現，要達到40m處接收面照度達到人眼可以觀測的程度20lx,需采取一定的措施，在比較不同形式的非成像光學組件后，結合實際情況最終選擇反光杯和透鏡與LED構成系統，使該種投射器能滿足給定的出射光角度要求，并在目標照射面內達到照明要求.二次光學設計所采用的模型通過微加工而成，其形狀可以控制LED器件的發散角度，把光源出射的光導向所要的工作空間.考慮到從拋物面焦點發出的光線經過反光杯會平行出射，實驗中先將反光杯面型定為拋物面.通過安裝反光杯，使發出的光線準直聚焦.

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O到焦點F的距離)，L為拋物線焦點F到出光口的距離，d為反光杯總長度.由于在一定的口徑下，焦距越大，反光杯越淺，這樣越達不到聚光的作用，并考慮到光源模組的尺寸(鋁基板外徑①=56mm)，選擇計算f=16.18.20.22mm時的反光杯口徑對配光的影響.

為了確定反光杯的最佳尺寸，我們對反光杯口徑D.40m處光照度.光學效率這幾個量的關系進行模擬分析，為了仿真結果更接近于真實情況，將反光杯反射面的反射率設為85%,并將實驗室測得的xM-L燈具的光通量值416lm數據導入軟件中.

之后，通過對出光口徑D和焦距f進行參數靈敏度分析，將反光杯焦距設為f=16.18.20.22mm.且光源陣列位于焦平面時：得到的結果如圖4所示，遠場光強剖切圖如圖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，半光強角A需盡量小，40m處照度足夠大.且反光杯整體長度未超過限度，最后確定D=180mm.f=20mm時，反光杯面型最佳.

但是此時的半光強角太大.從圖5可以看出，光強存在雙峰現象，由于軟件在讀取半光強角的大小時，默認選取中心光強的一半來讀取，但實際中發現，中心光強并非光強的最大值，因此需要進行手動讀取，通過模擬，得到在D=180mm,f=20mm時，半光強角為11.2度左右，滿足條件，可以達到要求.

確定D與f之后，對確定的反光杯進行配光分析，得到40m處的照度圖如圖6所示.

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