1 引言
從20世紀60年代第一個發(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.響應快.壽命長，并且有節(jié)能.環(huán)保等優(yōu)點，其已經(jīng)應用在了很多方面，它也將在不久后會全部取替白熾燈等傳統(tǒng)光源，同時，大幅度的半導體照明應用將在很大程度上節(jié)約能源，也會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)展半導體照明產(chǎn)業(yè)對我國經(jīng)濟的可持續(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要在照明領域發(fā)展，關鍵是要將其發(fā)光效率.光通量等提高到現(xiàn)有照明光源的等級.要實現(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LED照明燈具進行優(yōu)化設計，提高其使用效率，因此研究LED光源二次光學配光設計，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透鏡，模擬二次光學設計，可以提高器件的發(fā)光效率.由于在實際照明中，需要在某一特定距離處達到照度大小的要求，比如建筑物的照明.街景的照明等.針對此問題，本文以“LED照明技術在外灘建筑群中的示范應用”課題為指導，研究LED遠場照明的設計問題.
2計算機輔助軟件的介紹
本論文采用的軟件是Lighttools,是ORA公司研制的三維實體建模軟件，可以直接描述光學系統(tǒng)中的光源.反光杯以及透鏡.光線在光學系統(tǒng)內(nèi)的傳播遵循幾何光學的反射定律和折射定律.根據(jù)光線在光學系統(tǒng)內(nèi)傳播方式的不同，通常計算機輔助光學設計軟件分為兩類，序列光線追跡和非序列光線追跡，前者主要應用于成像光學系統(tǒng)，而后者主要應用于非成像光學系統(tǒng)，如照明光學系統(tǒng).投影光學系統(tǒng)等.照明光學系統(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.它分為三個部分，光源，光學系統(tǒng)，照明平面.一般來說，對照明面的要求大多是對光照度的要求.照明光學系統(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分布的大量隨機光線，在非序列光線追跡中，光線與系統(tǒng)中各個界面相交的順序是不確定的.
LED光源發(fā)出的光在出射時的位置.方向都是未知的，這些隨機出射光線的位置.方向以及行進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.首先建立一個與求解有關的概率模型或隨機過程，使它的參數(shù)等于所求問題的解，然后通過對模型或過程的觀察或抽樣試驗來計算所求參數(shù)的統(tǒng)計特征，最后給出所求解的近似值，因此LED光學系統(tǒng)的一次和二次光學設計都需要追跡大量的光線來達到光學系統(tǒng)性能分析的準確性.
3 LED陣列的布局與二次光學設計的介紹
照明光學設計分為一次光學設計和二次光學設計.前者就是LED發(fā)光管的內(nèi)部設計，一旦LED成型了，一次光學設計也就完成好了，一次光學設計決定了LED出光后的空間光強分布.LED的二次光學設計是在配有LED的燈具內(nèi)，通過加反光杯，透鏡等，使得整個系統(tǒng)的法向光強得到提高，從而更有效合理的利用有限的光能.
在選擇LED光源時，要考慮LED的尺寸.排列.功率.發(fā)光角度等問題，以實現(xiàn)較高的光能利用率.項目采用的單芯片為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，由于正常工作時，LED功率為6.2w左右，因此需24顆芯片.為達到一定的光通量，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).考慮到設計要求中半光強角為15度，即小角度出光，將LED陣列設計為圓形，以同心圓的排列方式.考慮到鋁基板走線問題，設置第一圈圓直徑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分布圖(如圖1(c)所示)，由圖可以看出，半光強角為60度左右，符合朗伯分布.
圍繞非成像光學系統(tǒng)的兩大核心問題，即光強和光照度，展開對LED照明光學系統(tǒng)的研究.用光學仿真軟件對LED進行二次光學設計，提高LED的法向光強大小.
4反光杯的光學設計
4.1 反光杯幾何尺寸的確定
將單顆型號xM-L芯片導人軟件，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)，要達到40m處接收面照度達到人眼可以觀測的程度20lx,需采取一定的措施，在比較不同形式的非成像光學組件后，結(jié)合實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，并在目標照射面內(nèi)達到照明要求.二次光學設計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，把光源出射的光導向所要的工作空間.考慮到從拋物面焦點發(fā)出的光線經(jīng)過反光杯會平行出射，實驗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O到焦點F的距離)，L為拋物線焦點F到出光口的距離，d為反光杯總長度.由于在一定的口徑下，焦距越大，反光杯越淺，這樣越達不到聚光的作用，并考慮到光源模組的尺寸(鋁基板外徑①=56mm)，選擇計算f=16.18.20.22mm時的反光杯口徑對配光的影響.
為了確定反光杯的最佳尺寸，我們對反光杯口徑D.40m處光照度.光學效率這幾個量的關系進行模擬分析，為了仿真結(jié)果更接近于真實情況，將反光杯反射面的反射率設為85%,并將實驗室測得的xM-L燈具的光通量值416lm數(shù)據(jù)導入軟件中.
之后，通過對出光口徑D和焦距f進行參數(shù)靈敏度分析，將反光杯焦距設為f=16.18.20.22mm.且光源陣列位于焦平面時：得到的結(jié)果如圖4所示，遠場光強剖切圖如圖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，半光強角A需盡量小，40m處照度足夠大.且反光杯整體長度未超過限度，最后確定D=180mm.f=20mm時，反光杯面型最佳.
但是此時的半光強角太大.從圖5可以看出，光強存在雙峰現(xiàn)象，由于軟件在讀取半光強角的大小時，默認選取中心光強的一半來讀取，但實際中發(fā)現(xiàn)，中心光強并非光強的最大值，因此需要進行手動讀取，通過模擬，得到在D=180mm,f=20mm時，半光強角為11.2度左右，滿足條件，可以達到要求.
確定D與f之后，對確定的反光杯進行配光分析，得到40m處的照度圖如圖6所示.
由遠場光強剖切圖可以看出，光強存在凹陷，說明光源位于焦平面處不太合理，需進行離焦分析.在離焦分析之前，由于光源的前后移動可能會與反光杯尾部發(fā)生接觸，并考慮到散熱及燈具美觀，將反光杯的底部進行切割處理，以便放置散熱器.分別在焦平面前后方5mm及焦平面處3個位置處進行切割，由于切割之后，光源的離焦移動可能會損失部分光能，因此，在切割之后的反光杯底部加圓柱形蒙皮，將蒙皮長度確定為20mm,內(nèi)壁反射率同樣設為85%.在不同切割距離處，通過光源離焦分析，得到40m處照度.效率及半光強角的關系如圖7所示.
經(jīng)過數(shù)據(jù)對比，在不同位置切除反光杯底端后，配光效果差異很小.要滿足半光強角A在15度左右，且照度滿足要求，最后確定在焦平面右側(cè)5mm處切割，且通過離焦分析，發(fā)現(xiàn)光源陣列在z=27mm時，即在焦平面右側(cè)7mm處達到最佳，半光強角最小，最聚光，為11.7度，此時最大照度為16.7llx,此時強度剖切圖(如圖8(a)所示)和照度圖(如圖8(c)所示)以及最終設計的反光杯三維模型如圖8(b)所示.
由分析可知，光源離焦對配光效果影響很大，因此，在反光杯實際加工時，需在其內(nèi)部設計微調(diào)裝置來確定最佳位置.
5透鏡的光學設計
5.1透鏡的形狀確定
用于LED照明的光學準直器主要有兩種，透鏡和反光杯.LED光源發(fā)出的初始光在經(jīng)過反光杯全反射準直之后，都會以同一準直方向出射，從以上分析可以看出，LED陣列在加了反光杯之后，照度大小仍然不能達到最佳，因此，需要在反光杯內(nèi)增加透鏡來達到要求.透鏡材料選擇PMMA,俗稱有機玻璃，是迄今為止合成透明材料中質(zhì)地最優(yōu)異，價格又比較適宜的品種，折射率約為1.4.
通過幾何光學分析，得出加透鏡有兩種方法，第一種，在出光口處加透鏡;第二種，為了避開反光杯出射的平行光，將透鏡放在反光杯內(nèi)某一位置.
按照第一種情況，在出光口加透鏡.保持前口徑不變，改變后口徑曲率，看對照度大小的影響，確定最佳曲率.為確定后表面的曲率半徑，首先對后表面曲率半徑和40m處照度最大值之間進行了靈敏度分析(如圖9所示)，以確定最佳的優(yōu)化起始面型，減少優(yōu)化耗時.
當半徑為R=92.2mm,最大照度為27.08blx此時半光強角為11度，滿足條件.
5.2透鏡的位置確定
按照第二種情況，先在3個位置進行模擬，將透鏡放置于距光源25mm,50mm,74.25mm處，如圖10所示，確定后口徑半徑，觀察改變后口徑曲率對40m處照度的影響.
為了避開反光杯出射的平行光，設邊緣直線L.方程為：
其中：k--直線斜率，由于L.通過點(0,23)，(74.25,90)，可得出直線方程為：
此時的y即為透鏡前表面直徑.將透鏡放在反光杯內(nèi)不同位置，得到的不同曲率半徑與最大照度關系如圖11所示.
當x=25時，R=40mm照度達到最大，為19.3lx;x=50時，R=66.7mm時，照度達到最大，為25.3llx.
由分析，最終確定，R=92.2mm時，遠場照度值最大，為27.08lx,滿足照度要求，因此確定在出光口處加透鏡.
考慮到透鏡厚度對光能的影響及加工費用等因素，將透鏡做成菲涅爾透鏡，其工作原理十分簡單，由于透鏡的折射能量絕大部分發(fā)生在光學表面，拿掉盡可能多的光學材料，而保留表面的彎曲度，可達到同樣的效果，而且成本比普通的凸透鏡低很多.保持厚度d=5mm,最終面型如圖12所示.
6 總結(jié)
本文介紹了一種基于提高LED遠場照度的新型二次光學設計，可以為以后燈具的結(jié)構(gòu)及配光設計提供一些依據(jù).
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