基于Tracepro的LED光照均勻性二次光學設(shè)計

張 曼

(揚州職業(yè)大學, 江蘇 揚州 225009)

LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)速度快、顯色性好等優(yōu)點,已經(jīng)廣泛用于室內(nèi)照明、道路照明、城市亮化、景觀照明和醫(yī)療投影燈等多個照明領(lǐng)域。LED光源應(yīng)用于室內(nèi)照明系統(tǒng)時,需要解決兩個問題:第一,單顆LED的發(fā)光呈朗伯型,中間光強大,四周小,出光不均勻。為了解決這個問題,傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)一般采用大角度或遠距離的出光方式,這樣在一定程度上雖然可以降低邊緣與中心的照度差,但是也會降低目標面上的光照度,影響照明效果,甚至會產(chǎn)生眩光,影響視力。第二,單顆LED的發(fā)光亮度比較低,在使用時,需要將多顆LED集成封裝起來,制成光源,以獲得足夠高的亮度。LED光源的集成封裝方法有兩種:第一,先將芯片封裝成器件(比如引腳式、SMD式等),然后再將多個器件封裝成光源燈體;第二，直接將多個芯片直接封裝成燈體,比如板上芯片直裝式(COB封裝技術(shù)),這種封裝技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有封裝功率密度高、熱阻低等優(yōu)點,比較適合大功率多芯片LED的封裝。封裝好的光源需要進行光學設(shè)計,這樣不僅可以提高照明的均勻度和出光效率,還可以使出射光線變得柔和,提高照明的舒適性[1]。

LED的光學設(shè)計包括一次和二次光學設(shè)計。其中,二次光學設(shè)計主要是利用光學仿真軟件,比如Tracepro、Lighttools等,通過設(shè)計反射器與透鏡來對LED的出光進行再分配,以達到調(diào)整出光效果和提高出光效率的目的。Tracepro具有模型建立簡單、分析功能強大等優(yōu)點,在近些年應(yīng)用十分廣泛[2]。反射器主要包括圓錐曲面型、3D復(fù)合型、槽型反射器以及自由曲面反射器等,其中3D復(fù)合反射器又包括復(fù)合拋物面型、復(fù)合雙曲面型和復(fù)合橢球面型[3]。透鏡包括球面、非球面、自由曲面和菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡的中心是多個環(huán)型三棱柱形成對稱中心的透鏡,具有體積小、重量輕、加工方便、光學記憶力好、透光率高、改變螺紋角度即可改變光強分布等優(yōu)點。本文以COB封裝的LED為光源,利用復(fù)合反射器和菲涅爾透鏡組合對LED照明的均勻性進行二次光學設(shè)計。

1 二次光學設(shè)計原理分析

1.1 Tracepro仿真軟件

光學仿真過程使用Tracepro軟件,它是一種基于Monte Carlo算法的離散分布光線追跡技術(shù)的仿真軟件,主要用于燈具的雜散光分析和光學仿真設(shè)計。仿真過程主要包括:以實體對象構(gòu)建光路模型—定義模型光學特性—定義光源—設(shè)定接受面特性—光線追跡—結(jié)果分析—模型輸出。Tracepro可以通過模擬光線與實體之間的實際作用來計算光線的反射、折射、衍射、吸收等特性。

1.2 反射器

以COB封裝的LED為設(shè)計對象，假設(shè)定義光源為朗伯型、功率為3W的LED,在距離光源為2.8m處設(shè)置一接受面,用來觀看出射光線的照度情況。經(jīng)過Tracepro對LED光源進行建模獲得的配光曲面如圖1所示。從圖1中可以看出,未進行光學設(shè)計的LED裸光源的半光強角大約為120°,中心光強最大,角度越大,光強越小,這樣的光源由于出光不均勻,容易造成眩光。

對于遠場點光源而言,調(diào)整出射光線的均勻性時,只需要放置一個菲涅爾透鏡,并且調(diào)整菲涅爾透鏡與點光源的距離即可調(diào)整出光均勻性。但是生活中使用的LED通常為朗伯型光源,不能看作點光源,對這類光源的出光進行準直,就需要將菲涅爾透鏡與反射器配合來使用,首先經(jīng)過反射器將光源的出光進行聚光,然后經(jīng)過菲涅爾透鏡進行準直,才能得到良好的照明效果[4],設(shè)計原理圖,如圖2所示。

模型建立包括反射器和菲涅爾透鏡兩部分。復(fù)合型拋物面反射器(CPC)由兩面拋物面反射板組成，如圖3所示。

兩片反射板為入射限制線。入射限制線與反射器對稱軸夾角稱為場視角,復(fù)合型拋物面反射器的入射口半徑為d,出射口半徑為a。當復(fù)合拋物面反射器上端開口的入射光線與對稱軸的夾角小于θmax時,光線可直接射出,當入射角大于θmax時,光線會在反射器的內(nèi)壁上經(jīng)過多次反射,最終從入射口反射出去,不能被利用。所以復(fù)合拋物面反射器的θmax非常關(guān)鍵,它必須滿足邊緣光線原理[5]和光學擴展量守恒定律[6]。

直接影響CPC反射器聚光性能的參數(shù)稱為幾何聚光比(Cg)。Cg的定義為:

(1)

拋物線的焦距為:

f=a(1+sinθmax)

(2)

復(fù)合拋物面反射器的高度為:

(3)

1.3 透鏡

菲涅爾透鏡與普通的非球面透鏡一樣,在平行光入射時,會在焦平面上匯聚于一點。用于準直透鏡時,會在焦平面上產(chǎn)生一個具有一定空間發(fā)散角的出射光,雖然不是絕對的平行光,但是對于朗伯型LED光源的而言,也能起到提高出光均勻性的作用。菲涅爾透鏡光路及傾斜角設(shè)計見圖4。

F點為光源位置,菲涅爾透鏡上有很多環(huán)型的三棱鏡透鏡,光線經(jīng)過這些環(huán)帶透鏡后,會匯聚于另一側(cè)的F′處,f與f′為物距與像距,h為基底厚度。菲涅爾透鏡的厚度跟反射器的厚度相比比較小,可以看作薄透鏡[7]。

注冊會計師一定要對審計成果負責，注冊會計師又管控風險的主觀思想，注冊會計師自主落實好審計任務(wù)，減少審計風險的發(fā)生，還可以降低自己的責任。

根據(jù)成像公式:

(4)

L為菲涅爾透鏡的焦距,根據(jù)三角幾何關(guān)系式,折射光線傾斜角,也就是接收角u′:

(5)

每個環(huán)帶上的錐面(工作面)傾角αi:

(6)

這樣,只要確定了透鏡的焦距、環(huán)帶寬度和透鏡材質(zhì)的折射率,就可以計算出菲涅爾透鏡各個環(huán)帶上的傾斜角分布。

2 仿真與結(jié)果分析

2.1 裸光源仿真結(jié)果

首先使用Tracepro對未經(jīng)過二次光學設(shè)計的裸光源進行建模。LED光源的發(fā)光面是直徑為11mm，厚度為0.2mm的圓柱形。發(fā)射形式為光通量,單位為幅度學,場角分布為朗伯發(fā)光場型,功率為3W。在追跡過程中,光線數(shù)目越多,結(jié)果越精確,但是計算時間也會比較長,本文選擇使用50萬條光線。模型建立好后,設(shè)置屬性,然后進行光線追跡,仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5可知,裸光源照射在目標面上的有效光斑直徑大約為400mm,光斑中心最大照度值為2565 Lux,最大光強角(50%)為115°,從剖面圖上可以看出中心光強最大,隨著角度越來越大,光強會越來越小,光強變化較快。從輻照度圖和剖面圖上可以看出未經(jīng)過光學設(shè)計的裸光源中心光強與周邊光強差別很大,出光不均勻,不適合辦公區(qū)域照明,否則很容易引起眩光與視覺疲勞。

2.2 二次光學設(shè)計后的仿真結(jié)果

經(jīng)過復(fù)合拋物面和菲涅爾透鏡的二次光學設(shè)計后,仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7(a)中可以看出,LED在目標面上產(chǎn)生的有效光斑直徑大約為1000mm。從圖7(b)中可以看出,在有效光斑區(qū)域范圍內(nèi),水平方向的最大照度值為950Lux,最小照度值為711Lux;垂直方向的最大照度值為959Lux,最小照度值為726Lux。

光度均勻度計算公式一般定義為:

(7)

Lmax為最大光度值,Lmin為最小光度值[8]。根據(jù)以上公式進行計算,則在水平方向的光度均勻度為86%;垂直方向的光度均勻度為87%。在整個有效光斑區(qū)域范圍內(nèi),最大照度值為959Lux,最小照度值為711Lux,計算得到目標面上的光度均勻度為85%。

根據(jù)圖5所示,未經(jīng)過光學設(shè)計的LED裸光源在同樣為1000mm的光斑內(nèi),最大光度值為2565Lux,最小光度值為597Lux,計算得到光度均勻度為37.7%,而經(jīng)過透鏡和反射器光學設(shè)計后的LED光度均勻度為85%,均勻度提高了47.3%。所以，本設(shè)計方案對于提高LED光源的出光均勻性是可行的。

3 結(jié)論

復(fù)合拋物面反射器與傳統(tǒng)反射器相比,出射光更均勻,與自由曲面反射器相比,具有加工方便、價格便宜等特點。菲涅爾透鏡具有重量輕、制作成本低、加工方便等優(yōu)點,在近些年已廣泛用于燈具的照明設(shè)計中。通過Tracepro光學仿真軟件,以COB-LED為定義光源,光源功率為3W,目標面與LED光源距離為2.8m,通過調(diào)整復(fù)合拋物面反射器的長度、焦距與菲涅爾透鏡的焦距,對LED光源的照明均勻度進行二次光學設(shè)計,最終獲得了一個有效照射光斑直徑為1000mm、水平方向光度均勻度為86%、垂直方向光度均勻度為87%、整體均勻度為85%的設(shè)計方案,與未經(jīng)過光學設(shè)計的裸光源相比,光度均勻度提高了47.3%,可以滿足室內(nèi)照明、光通信系統(tǒng)、投影系統(tǒng)的需求。