基于提高LED阵列远场照度的设计

涂 浩 陈家璧 秦 汉 夏冠群 杨洁翔

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

1 引言

从20世纪60年代第一个发光二极管问世以来，LED经历了50多年的发展。LED的发光效率虽然不高，但是它的光谱几乎可以全部集中于可见光区域，并且效率可至80%～90%，而传统的白炽灯可见光转换效率只有10% ～20%［1］。由于LED具有体积小、响应快、寿命长，并且有节能、环保等优点，其已经应用在了很多方面，它也将在不久后会全部取替白炽灯等传统光源，同时，大幅度的半导体照明应用将在很大程度上节约能源，也会减少二氧化碳的排放量和荧光灯的汞污染，属于绿色光源。因此，着力发展半导体照明产业对我国经济的可持续发展战略具有很大的意义［2］。

目前，LED照明光源的光通量与荧光灯等常用光源相比，还有一定差距，因此，LED要在照明领域发展，关键是要将其发光效率、光通量等提高到现有照明光源的等级。要实现这一目的，首先要提高LED本身的质量，要研制高功率并且高效的LED器件，另外要对LED照明灯具进行优化设计，提高其使用效率，因此研究LED光源二次光学配光设计，满足大功率LED照明配光需求极为迫切［3］。本文在LED阵列外加反光杯与光学透镜，模拟二次光学设计，可以提高器件的发光效率。由于在实际照明中，需要在某一特定距离处达到照度大小的要求，比如建筑物的照明、街景的照明等。针对此问题，本文以“LED照明技术在外滩建筑群中的示范应用”课题为指导，研究LED远场照明的设计问题。

2 计算机辅助软件的介绍

本论文采用的软件是Lighttools，是ORA公司研制的三维实体建模软件，可以直接描述光学系统中的光源、反光杯以及透镜。光线在光学系统内的传播遵循几何光学的反射定律和折射定律［4］。根据光线在光学系统内传播方式的不同，通常计算机辅助光学设计软件分为两类，序列光线追迹和非序列光线追迹，前者主要应用于成像光学系统，而后者主要应用于非成像光学系统，如照明光学系统、投影光学系统等。照明光学系统是一种非成像系统，它注重的是能量分配而不是信息传递。它分为三个部分，光源，光学系统，照明平面。一般来说，对照明面的要求大多是对光照度的要求［5］。照明光学系统属于非序列光线追迹，非序列光线追迹分析需要光源发出的按一定空间光强分布的大量随机光线，在非序列光线追迹中，光线与系统中各个界面相交的顺序是不确定的。

LED光源发出的光在出射时的位置、方向都是未知的，这些随机出射光线的位置、方向以及行进过程中与各界面所产生的反射、折射、散射、吸收都需要用蒙特卡罗 (Monte Carlo)方法来模拟。首先建立一个与求解有关的概率模型或随机过程，使它的参数等于所求问题的解，然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出所求解的近似值，因此LED光学系统的一次和二次光学设计都需要追迹大量的光线来达到光学系统性能分析的准确性［6］。

3 LED阵列的布局与二次光学设计的介绍

照明光学设计分为一次光学设计和二次光学设计。前者就是LED发光管的内部设计，一旦LED成型了，一次光学设计也就完成好了，一次光学设计决定了LED出光后的空间光强分布。LED的二次光学设计是在配有LED的灯具内，通过加反光杯，透镜等，使得整个系统的法向光强得到提高，从而更有效合理的利用有限的光能量［7］。

在选择LED光源时，要考虑LED的尺寸、排列、功率、发光角度等问题，以实现较高的光能利用率。项目采用的单芯片为CREE公司研发的XM-L芯片，芯片尺寸为5mm×5mm，高度为3mm。以150W投光灯为例，根据照明需求及LED型号，由于正常工作时，LED功率为6.2w左右，因此需24颗芯片。为达到一定的光通量，且光照分布均匀，通常采用多芯片阵列，作为面光源使用，增加LED的排列也就相当于增加发光有效面积，LED芯片组成光源模组 (如图1(a)所示)。考虑到设计要求中半光强角为15度，即小角度出光，将LED阵列设计为圆形，以同心圆的排列方式。考虑到铝基板走线问题，设置第一圈圆直径18mm，;第二圈圆直径28.6mm，第三圈圆直径37.5mm，第四圈圆直径43mm。四圆均为六个单颗LED等圆周分布 (如图1(b)所示)。通过仿真，得到了光源阵列的光强分布图 (如图1(c)所示)，由图可以看出，半光强角为60度左右，符合朗伯分布。

图1 Lighttools光源仿真图Fig.1 Lighttools light source simulation figure

围绕非成像光学系统的两大核心问题，即光强和光照度，展开对LED照明光学系统的研究［8］。用光学仿真软件对LED进行二次光学设计，提高LED的法向光强大小。

4 反光杯的光学设计

4.1 反光杯几何尺寸的确定

将单颗型号XM-L芯片导入软件，未加反光杯的情况下，在20m和40m处建立接收面，得到的照度图如图2所示。

图2 位于20m处和40m处的照度图 (模拟光线条数100W，未加反光杯)Fig.2 The illumination intensity figure located in 20m and 40m(10 million arrays simulation，no reflective cup)

从结果可以发现，要达到40m处接收面照度达到人眼可以观测的程度20lx，需采取一定的措施，在比较不同形式的非成像光学组件后，结合实际情况最终选择反光杯和透镜与LED构成系统，使该种投射器能满足给定的出射光角度要求，并在目标照射面内达到照明要求［9］。二次光学设计所采用的模型通过微加工而成，其形状可以控制LED器件的发散角度，把光源出射的光导向所要的工作空间。考虑到从抛物面焦点发出的光线经过反光杯会平行出射，实验中先将反光杯面型定为抛物面。通过安装反光杯，使发出的光线准直聚焦［10］。

抛物面反光杯切面图如图3所示，可知抛物面在焦平面处的截面圆直径为4f，其中:D为反光杯口径大小，f为焦距 (抛物线顶点O到焦点F的距离)，L为抛物线焦点F到出光口的距离，d为反光杯总长度。由于在一定的口径下，焦距越大，反光杯越浅，这样越达不到聚光的作用，并考虑到光源模组的尺寸(铝基板外径Φ=56mm)，选择计算f=16、18、20、22mm时的反光杯口径对配光的影响［11］。

图3 反光杯切面图Fig.3 The cutting plane figure of the reflective cup

为了确定反光杯的最佳尺寸，我们对反光杯口径D、40m处光照度、光学效率这几个量的关系进行模拟分析，为了仿真结果更接近于真实情况，将反光杯反射面的反射率设为85%，并将实验室测得的XM-L灯具的光通量值416lm数据导入软件中。之后，通过对出光口径D和焦距f进行参数灵敏度分析，将反光杯焦距设为 f=16、18、20、22mm，且光源阵列位于焦平面时:得到的结果如图4所示，远场光强剖切图如图5所示。

由图5分析可得，同一焦距下，D与效率E成反比，同一D下，f与照度E也成反比。要满足要求，半光强角A需尽量小，40m处照度足够大，且反光杯整体长度未超过限度，最后确定D=180mm，f=20mm时，反光杯面型最佳。

图4 40m处D-A，D-E，D-Elux关系图Fig.4 The relationship figure of D-A，D-E，D-Eluxlocated in 40m

图5 远场光强剖切图 (水平方向)Fig.5 The intensity distribution figure(Horizontal direction)

但是此时的半光强角太大。从图5可以看出，光强存在双峰现象，由于软件在读取半光强角的大小时，默认选取中心光强的一半来读取，但实际中发现，中心光强并非光强的最大值，因此需要进行手动读取，通过模拟，得到在D=180mm，f=20mm时，半光强角为11.2度左右，满足条件，可以达到要求。

确定D与f之后，对确定的反光杯进行配光分析，得到40m处的照度图如图6所示。

由远场光强剖切图可以看出，光强存在凹陷，说明光源位于焦平面处不太合理，需进行离焦分析。在离焦分析之前，由于光源的前后移动可能会与反光杯尾部发生接触，并考虑到散热及灯具美观，将反光杯的底部进行切割处理，以便放置散热器。分别在焦平面前后方5mm及焦平面处3个位置处进行切割，由于切割之后，光源的离焦移动可能会损失部分光能，因此，在切割之后的反光杯底部加圆柱形蒙皮，将蒙皮长度确定为20mm，内壁反射率同样设为85%。在不同切割距离处，通过光源离焦分析，得到40m处照度、效率及半光强角的关系如图7所示。

经过数据对比，在不同位置切除反光杯底端后，配光效果差异很小。要满足半光强角A在15度左右，且照度满足要求，最后确定在焦平面右侧5mm处切割，且通过离焦分析，发现光源阵列在z=27mm时，即在焦平面右侧7mm处达到最佳，半光强角最小，最聚光，为11.7度，此时最大照度为16.7lx，此时强度剖切图 (如图8(a)所示)和照度图 (如图8(c)所示)以及最终设计的反光杯三维模型如图8(b)所示。

图6 40m处照度图Fig.6 The illumination intensity figure located in 40m

图7 不同位置切割反光杯，光源位置Z从0到40mm时关系图 (Z=20时为焦平面处)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)

图8 光源阵列加反光杯仿真图Fig.8 The simulation figure of light array with reflective cup

由分析可知，光源离焦对配光效果影响很大，因此，在反光杯实际加工时，需在其内部设计微调装置来确定最佳位置。

5 透镜的光学设计

5.1 透镜的形状确定

用于LED照明的光学准直器主要有两种，透镜和反光杯。LED光源发出的初始光在经过反光杯全反射准直之后，都会以同一准直方向出射［12］，从以上分析可以看出，LED阵列在加了反光杯之后，照度大小仍然不能达到最佳，因此，需要在反光杯内增加透镜来达到要求。透镜材料选择PMMA，俗称有机玻璃，是迄今为止合成透明材料中质地最优异，价格又比较适宜的品种，折射率约为1.4［13］。

通过几何光学分析，得出加透镜有两种方法，第一种，在出光口处加透镜;第二种，为了避开反光杯出射的平行光，将透镜放在反光杯内某一位置。

按照第一种情况，在出光口加透镜。保持前口径不变，改变后口径曲率，看对照度大小的影响，确定最佳曲率。为确定后表面的曲率半径，首先对后表面曲率半径和40m处照度最大值之间进行了灵敏度分析 (如图9所示)，以确定最佳的优化起始面型，减少优化耗时。

图9 不同曲率半径与40m处最大照度及半光强角的关系Fig.9 The relationship figure of the half beam angle and maximum illumination intensity of 40m on the basis of different curve radius

当半径为R=92.2mm，最大照度为27.08lx，此时半光强角为11度，满足条件。

5.2 透镜的位置确定

按照第二种情况，先在3个位置进行模拟，将透镜放置于距光源25mm，50mm，74.25mm处，如图10所示，确定后口径半径，观察改变后口径曲率对40m处照度的影响。

图10 反光杯内加透镜模拟图Fig.10 The simulation figure for reflective cup with lens

为了避开反光杯出射的平行光，设边缘直线L1方程为

其中:k——直线斜率，由于 L1通过点 (0，23)，(74.25，90)，可得出直线方程为

此时的y即为透镜前表面直径。将透镜放在反光杯内不同位置，得到的不同曲率半径与最大照度关系如图11所示。

当x=25时，R=40mm照度达到最大，为19.3lx;x=50时，R=66.7mm时，照度达到最大，为25.3lx。

图11 反光杯内不同位置加透镜，透镜半径与Emax关系图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，最终确定，R=92.2mm时，远场照度值最大，为27.08lx，满足照度要求，因此确定在出光口处加透镜。

考虑到透镜厚度对光能的影响及加工费用等因素，将透镜做成菲涅尔透镜，其工作原理十分简单，由于透镜的折射能量绝大部分发生在光学表面，拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度，可达到同样的效果，而且成本比普通的凸透镜低很多［14］。保持厚度d=5mm，最终面型如图12所示。

6 总结

图12 设计的透镜及其对应的菲涅尔透镜Fig.12 The designed lens and the corresponding Fresnel lens

本文介绍了一种基于提高LED远场照度的新型二次光学设计。设计采用反光杯和菲涅尔透镜组合，首先用反光杯对来自LED光源的光线进行准直处理，再通过菲涅尔透镜对准直光能进行再分布，最终在目标面上获得满足要求的照明。设计解决了LED远场处照度大小不能满足要求的问题，得到比现有设计更高的照度大小、传输效率，具有更高的实用价值。另一方面，从菲涅尔透镜的设计可以看到，光能在经过反光杯准直之后，便可以将设计重点转移到菲涅尔透镜的几何参数上，舍弃了不必要的考虑因素，使得二次光学设计更加独立化和富有针对性，大大减少了设计周期。

实验表明，基于反光杯及透镜结构的LED准直系统具有光能利用率高、体积小、便于应用等特点。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光源在远场发光照度的影响。由设计结果可知，该方法对于设计不同系列灯具可以做到简洁高效，易于掌握，便于设计人员在灯具设计前对要设计的反光杯及透镜的几何参数有一定的宏观把握，可以为以后灯具的结构及配光设计提供一些依据。

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