新型LED矿灯光学系统的设计

刘 青，张 云 翠，刘 龙，邹 念 育，高 英 明，王 嫣 然

(1.大连工业大学 光子学研究所，辽宁 大连 116034；2.大连东软信息学院 嵌入式系统工程系，辽宁 大连 116023)

0 引 言

矿灯对于煤矿作业人员的井下工作至关重要，相比传统的矿灯光源，LED具有光效高、寿命长、体积小、工作时较低的结温不易引燃爆炸性气体的优点[1]；同时，LED光源近似点光源，便于光学系统的设计，使LED矿灯成为目前矿灯研制的热点[2]。国家标准《MT 927—2004KL型矿灯》规定额定容量为7A·h的矿灯在1m处中心照度大于等于350lx。大部分KL型矿灯在1m处的光斑半径为120mm左右，光照度良好[3]。针对LED光源的特殊性，采用光强分布类似朗伯分布的LED光源，需要高效的光学会聚系统，以减少杂散光。目前的LED矿灯光学系统的方式有反射式、透射式等，但在实际应用时存在聚光性能差、透镜体积大等缺点[4]，基于此，作者提出一种新型的LED矿灯光学系统，以适应井下照明的特殊要求。

1 新型LED矿灯的光学系统设计

不同结构的LED矿灯光学系统比较研究如下。图1为国内高校提出的折反射器，透镜和反射器配合使用，提高了聚光性能。但是系统中的反射器的高度较大，灯具效率较低，不利于实际应用。图2为全反射式准直透镜，光源所有的出射光线都被配成平行光射出。其优点是结构紧凑，无需内镀反射层。但此透镜的聚光性能低于现有的折反射器，另外，透镜在结构设计上仍存在一定的材料浪费，体积可进一步减小。

图1 折反射器Fig.1 Hybrid optical system

图2 全反射式准直透镜Fig.2 TIR collimator

为解决以上LED矿灯光学系统中的反射器过高、结构不够合理等缺陷，作者提出一种新型LED矿灯的光学系统，其主要由新型自由曲面折反射器构成，包括折射器和自由曲面反射器，如图3所示。

图3 新型自由曲面折反射器Fig.3 New illumination system

1.1 折射器的设计

折射器包括自由曲面形的折射面、锯齿型曲面和凹陷的半球壳体，折射面将光源发出的0°～20°和20°～40°的光线配成0°的平行光线射出；锯齿型曲面位于折射器的上部内侧，用于减小折射器的体积；凹陷的半球壳体，位于折射器的底部，并与反射器的底部相匹配，起支撑折射器的作用[5－7]。

如图4所示，点O为LED光源，θi和θi＋1分别为光源发出的第i和i＋1条光线与Y轴的夹角，OM为折射面的边缘光线，点A(xi，yi)和点B(xi＋1，yi＋1)为光线与透镜母线的交点，βi为点A处切线与水平线的夹角，αi为点A处入射角，δi为点A处出射角。

图4 折射面的母线迭代分析Fig.4 Iterative analysis of refracting surface

采用近似算法，将点(xi，yi)与点(xi＋1，yi＋1)之间的母线所在直线近似为点(xi，yi)处的切线，即将母线的斜率表示为[5]

光线入射角和切线与水平线的夹角满足以下关系：

为使出射光线与Y轴正方向平行，光线出射角δi应等于切线与水平线的夹角，即

通过代换可得

将式(4)代入式(1)得到母线各点坐标的迭代公式：

将由式(5)、(6)求得的母线各点坐标连线即可得到折射面的母线。

由于出射光线为平行光，透镜的折射仅仅发生在光学表面，所以在不影响出射光线方向的基础上可去除部分光学材料，如图5所示，将折射器上方内部加工成锯齿型曲面，减少光线损耗，并减小折射器的体积，并降低制造成本。

图5 锯齿形曲面的设计Fig.5 Design of saw toothed surface

1.2 自由曲面反射器的设计

自由曲面形的反射面位于反射器的侧面，将光源发出的40°～90°的光反射成0°的平行光线射出。

如图6所示，θj和θj＋1分别为光源发出的第j和j＋1条光线与X轴的夹角；OJ为反射面的边缘光线，点U(xj，yj)和点V(xj＋1，yj＋1)为光线在反射面上的入射点；βj为点U处切线与水平线的夹角；αj为点U处入射角；δj为点A处出射角。

图6 反射面的母线迭代分析Fig.6 Iterative analysis of reflecting surface

光线入射角和切线与水平线的夹角满足以下关系：

为使出射光线与Y轴正方向平行，光线出射角δj应等于切线与水平线的夹角，即

通过代换可得

将式(9)代入式(1)即得反射面母线各点坐标的迭代公式：

将由式(10)、(11)求得的母线各点坐标连线即可得到反射面的母线。

2 光学系统仿真分析

通过计算得到设计所需的系统模型，其中反射器的口径为50mm，高为30mm；折射器的口径为18mm，高为11mm。利用犀牛软件建模结果如图7所示实体。

图7 LED矿灯光学系统图Fig.7 LED illumination system

选用 Cree公司型号为 XPEWHT－4B0－Q4，光通量为100lm的中性白贴片式LED作为光源。将光学系统的模型导入光学仿真软件后进行光线追迹，其仿真结果如图8、9所示。由图8、9可见，本光学系统的大多数出射光线都较为平行，光线出射角小于10°。因此本系统对光线的利用率高，会聚效果较好，可以形成较小的中心光斑，即使在较远处也能满足矿灯的光照度要求，从而提高了工人井下工作的效率和安全性。

图8 光线追迹效果图Fig.8 Ray tracing of the system

图10为光学系统在1m处的光斑效果，其半径为125mm，大小适中，避免了｀过小造成眩光产生视觉疲劳、过大照度不够影响可见性的问题。系统的中心照度达到1 250lx，达到国家标准要求的中心照度指标。经过计算得到光照均匀度大于0.5，说明光斑较均匀，光斑质量较好。本系统的折射器采用PMMA材质，反射器采用铝，灯具效率约为84%。

图9 光强分配仿真结果图Fig.9 Light distribution curve

图10 照度分布仿真结果图Fig.10 Illumination profile

3 结 论

通过对现有矿灯光学系统的分析，提出一种新型折反射器，利用光学仿真软件进行模拟分析。结果表明系统的出射角小于10°，出射光线较为平行，光斑大小适中，光照度较为均匀，中心照度值达到国家标准要求，可作为新型LED矿灯的配光系统。同时，本光学系统结构紧凑，能够有效节约生产成本。

[1]公文礼.LED光源在矿用防爆灯具中应用[J].电气防爆，2010(2)：9－14.

[2]田大垒，关荣锋，王杏.新型LED矿灯的设计与仿真[J].煤矿机电，2007(6)：46－49.

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[4]钱可元，罗毅.新型半导体矿灯光源系统的研究[J].煤矿机电，2007(1)：14－16.

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[6]张云翠，邹念育，曹冠英，等.半导体照明产品检测研究[J].信息技术与标准化，2009(10)：62－64.

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