大功率LED阵列光源的配光设计＊

林朋飞，倪争技，黄元申，夏冠群，杨洁翔，秦 汉，郑立扬

（1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.国家半导体照明工程技术研究中心，上海 201203）

引 言

由于LED灯具的节能，环保，寿命长等优点，LED照明灯具的普及是大势所趋。虽然目前单颗LED的光效已达100lm／W，但是同非LED光源相比，单颗LED的光通量仍然太低，因此LED阵列光源的配光设计［1］便成为急需解决的问题。针对此问题，以上海市科委项目——“LED照明技术在外滩建筑群中的示范应用”为依托，以一款50W的LED投射灯为例，探究大功率LED阵列光源的快速配光设计问题。

1 计算机辅助设计

照明光学系统属于非成像光学系统，只需从能量传递规律的角度进行配光设计。LED光学系统设计包括芯片封装之前的器件内的光学设计和LED的应用中的器件外的光学设计。器件内的设计涉及芯片、反射镜和封装芯片的光学透镜，主要影响LED芯片的光提取效率和光强分布；器件外的设计即封装结构之外的光学系统设计，也称为LED的二次光学设计，其目的在封装结构外增加反射或投射等结构使得空间光强分布满足实际需求。根据光线在光学系统内的传播方式，光学设计中大量光线的光路追迹有两类：序列光线追迹和非序列光线追迹。在非序列光线追迹中，光线与界面相交的顺序是未知的，它主要应用在非成像系统中，例如，光导和照明系统等。

计算机软件中，常用的计算方法是蒙特卡罗方法，适用于点光源和扩展光源照明光学系统。它通过追迹大量的光线来决定照度，进而求出光强分布等其他光学量，它又分正向追迹和反向追迹，即从光源到接收器为正向追迹，从接收器到光源为反向追迹。具体方法为用一个二维阵列把接收面分成许多矩形小方格，光线从光源的不同点发射出来，通过光学系统后入射到接受面上，于是每个小方格都能接收到一定数量的光线，接收面上每点的照度值依赖于围绕此点的小方格所收集到的光线的数量。方格越小，照度描述得越好。但是要获得一定的精度需要追迹大量的光线。蒙特卡罗的模拟方法既可以较精确地求解一个光学结构模型，给出具体形象的光分布结果，又可以对光学结构的参数进行灵敏度分析，可以很容易看到参数变化对光分布的影响。目前，在照明光学领域应用最广泛的计算机辅助设计软件是ORA公司开发的LightTools。其主要功能包括：系统建模；光机电一体化设计；复杂光路设计；杂光分析和照明系统自动优化、分析。

这里采用LightTools7.2模拟仿真软件，辅助进行大功率LED［2］投光灯具的二次光学设计，其具体设计内容为：

（1）根据照明需求及LED型号确定LED光源颗数和排列方式，并进行仿真分析。并对设计的LED光源阵列实物进行测试，确定仿真结果的可信度及查看是否达到预定要求。

（2）加二次曲面面型反光杯，光源放置在焦平面位置；进行反光杯参数灵敏度分析，确定反光杯初始几何参数，再以该初始参数为基础进行面型优化，得到最佳面型。

（3）通过LED光源阵列离焦分析，确定光源在反光杯内的最佳位置。

2 光源阵列设计

投光灯的设计要求是，总光通量达到3000lm左右，选用CREE公司型号为XP－G系列的LED贴片光源，如图1（a）所示，该LED光源半峰边角为63°，标准1A电流下的光通量为235lm。因此若要满足总光通量目标，大概需要15颗LED光源器件。

为了后续配光的方便，设计15颗LED光源为同心圆排布［3］，其中内环6颗外环9颗，所用基板为铝基板。通过平衡15颗光源的电源走线极限及后续配光需要的最小光源阵列的矛盾，取内外同心圆的半径分别为9mm和18mm，整个扩展光源的外观尺寸为39mm，连同铝基板的外径尺寸有50mm左右，如图1（b）所示。每颗LED光通量均设定为235lm，对LED光源阵列进行模拟分析，得到光强分布图，如图1（c）所示；其中，总光通量为3524.5lm，半峰边角为63°左右，基本上为朗伯分布［4］。

为了验证模拟数据的真实性，现利用远方（EVERFINE）分布光度计测试系统（GO－2000H＿V1系统V2.0.265）对设计的光源实物进行了光电测量［5］，如图2（a）所示，测量结果如表1所示，光强分布如图2（b）所示。从仿真和实测的结果对比可以看出，两者总光通量相差较大，主要原因在于温度对LED的光效的影响和测量时功率不稳定造成的，只要采取了合理的散热措施和驱动装置，就可以进一步提高光源的实际光效，进而提高光源总光通量。为提高仿真模型的真实性，把单颗LED的仿真光通量由说明书给出的235lm改为实测的187.6lm，作为后续的二次配光的仿真光源。

图1 LightTools光源仿真图Fig.1 LightTools light simulation figure

图2 阵列光源实测Fig.2 Array light source measured

3 反光杯设计

该LED投射灯设计要求为投射距离5m以上，配光后出射光半峰边角要在15°以内［6］，连同机械结构出光口处外径要小于220mm，几何长度（不包括电源）不大于200mm。针对准直配光，由几何光学知识可知，先把待配光光源近似为点光源［7］，选择抛物面反光杯作为研究对象；再通过对抛物面反光杯的几何参数的灵敏度分析，确定满足要求的初始反光杯几何尺寸；然后再以该几何尺寸为初始条件，确定最优化的二次曲面面型。

表1 光源阵列光度数据实测与仿真对比Tab.1 Light source array photometric data measured and simulation contrast

3.1 反光杯几何参数确定

抛物面反光杯的剖切面方程为：

式（1）中，f为反光杯的焦距，D为反光杯出光口径，d为焦平面直径，L为焦平面到出光口径间的反光杯长度，如图3（a）所示。对于固定的焦距f来说，D和L成正比例关系，因此通过对仿真的配光系统进行D和f的参数灵敏度分析即可确定反光杯面型，其中反光杯反射面反射率［8］设置为85%。

当LED阵列光源位于焦平面中心时，通过分析f分别为10mm、12mm、14mm、16mm 时，反光杯出光口径D和灯具效率E［9］及半峰边角A之间的关系，如图4（a）所示。可以看出：在某一焦距f下，出光口径D与灯具效率E成反比例关系；在同一出光口径D下，焦距f与灯具效率E成正比例关系，且在出光口径D为140mm时的灯具效率均在86%以上。为了验证焦距f与灯具效率E之间的正比例关系，又分析了在出光口径D为140mm情况下，抛物面反光杯焦距f与效率E之间的关系，如图4（b）所示。从图4（c）可以看出，出光口径D和半峰边角A（即峰值光强的一半所对应的角度）都成递减趋势，且在口径D大约为140mm时不同焦距f下的D－A图线难以分辨。

图3 反光杯参数图示及仿真图Fig.3 Reflective cup parameters icon and simulation plan

图4 反光杯参数灵敏度分析Fig.4 Parameter sensitivity analysis of the reflector cup

从对图4的分析可以看出，出光口径大于140mm时满足15°以内的半峰边角A，且经计算出光口处连同散热结构的几何外径未超过220mm，因此可选择的最大反光杯口径为140mm。同时考虑到铝基板连同光源阵列的最大外径尺寸为50mm，以及成品灯具的几何长度不大于200mm的要求，当焦距f为16mm时，反光杯长度L为60mm左右，满足灯具设计要求；若焦距f过大，反光杯长度过短，起不到理想的配光作用。通过D和f确定的反光杯剖切面方程为：

式（2）中，D＝140mm，f＝16mm。

3.2 反光杯面型的优化

二次曲面是以二次曲线为母线，绕中心轴旋转一圈得到的面，其方程为：

式（3）中，r2＝x2＋y2，c为曲率，k为曲面常数。k＝0为球面；－1＜k＜0为椭圆面（长轴在Z轴）；k＝－1为椭圆面；k＜－1为双曲面；k＞0为椭圆面（短轴在Z轴）。

为了在二次曲面（球面，椭圆面，双曲面）［10］范围内得到最优的反光杯面型，通过对3.1节中确定的f＝16mm，D＝140mm的初始抛物面面型进行面型参数k的优化，得到当k＝－1.09的双曲面面型为最优的反光杯面型。但同抛物面面型相比双曲面型反光杯对光源的准直配光效果的提升影响很小，几乎可以忽略，因此采用抛物面面型作为最终的反光杯面型。

4 光源位置确定

用LightTools软件对设计的抛物面反光杯和阵列光源组成的系统进行模拟分析［11］。当抛物面的f＝16mm，D＝140mm时，得到配光后的光强分布图［如图5（a）所示］和距离光源5m处的照度图［如图5（b）所示］。从图5（a）可以看出，配光后在轴线方向上出现了光强凹陷［12］；从图5（b）也可以看出，在接收面中心200～400mm之间的环带为照度［13］最大值区域，这些说明LED阵列光源置于焦平面不合适。需要对光源进行离焦分析［如图5（c）所示］以确定光源最佳位置。

图5 最佳反光杯配光效果图和光源离焦图Fig.5 The lighteffects diagramsof the best reflector cupandthe defocus curve of the light source

由于在LightTools中半峰边角的读取是按轴线零度方向光强的一半来读取的，因此从图5（c）可以看出，光源在z＝0焦平面处的峰值表明轴线方向的光强凹陷，其原因主要是阵列光源并非完全是从焦点发出所致；峰值两侧的谷值表明轴线方向凹陷的消失，其中，达到两个谷值的离焦量仅为几个毫米，其原因是阵列光源相对于反光杯焦平面位置的微小改变产生了一个近似几何尺寸较小的虚拟光源所致。从以上分析可以看出，光源在反光杯中位置的微小变化对配光效果影响很大，因此在实际的灯具加工过程中，需要设计反光杯和光源相对位置的微调装置来调节光源的最佳安装位置。

5 结 论

抛物面反光杯是LED灯具配光中常用的配光方式，通过LightTools软件仿真分析了抛物面反光杯的出光口径、焦距等参数对LED阵列光源的配光效果的影响，进而指导反光杯几何尺寸的初步确定，再对该初始结构进行自动优化得到了满足要求的反光杯结构和光源放置位置。通过设计实践可知，该自动化的设计方法在设计不同半峰边角要求的系列灯具时可以做到简洁高效，易于掌握，便于设计人员在灯具设计前对要设计的反光杯的几何参数有一定的宏观把握，对后续的结构及配光设计又有一定的指导意义。

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