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

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%一90%,而傳統(tǒng)的白熾燈可見光轉(zhuǎn)換效率只有10%~20%.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(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)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(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.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.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.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.

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.

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.考慮到鋁基板走線問題，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l(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.

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.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)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(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.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.

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①=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.

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.

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.

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