基于非成像光學(xué)的led準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)

1led準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為新一代的綠色光源，這種設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)（light）具有尺寸小、壽命長(zhǎng)（5.14小時(shí)以上）、主導(dǎo)電源（80%90%）、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。大功率LED的出現(xiàn),將LED由最初簡(jiǎn)單的儀器儀表顯示推廣到了商用照明領(lǐng)域,并迅速搶占了液晶顯示屏(LCD)背光板、交通信號(hào)燈、汽車照明、通用照明和景觀照明市場(chǎng)。由于LED光源獨(dú)特的空間光強(qiáng)分布特性,傳統(tǒng)照明燈具已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)LED光源的配光需求,也無(wú)法完全發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),因此需要針對(duì)LED的發(fā)光特點(diǎn)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)以提高LED光源系統(tǒng)的性能。非成像光學(xué)理論為L(zhǎng)ED配光設(shè)計(jì)提供了有力的理論依據(jù)。在照明器件的設(shè)計(jì)中通常使用邊緣光線原理以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性[2~4]。當(dāng)前照明器件設(shè)計(jì)主要采用折射型、反射型和折反混合型幾種方式。無(wú)論是折射型還是反射型,其設(shè)計(jì)方法都是通過(guò)構(gòu)建特定光學(xué)表面來(lái)改變光線空間分布,同步多曲面(SMS)方法可實(shí)現(xiàn)多個(gè)表面的同步設(shè)計(jì),已被用在LED準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)中。LED準(zhǔn)直器能很好地滿足投影儀、舞臺(tái)射燈等對(duì)準(zhǔn)直光源的需求,目前國(guó)內(nèi)LED準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了較好進(jìn)展。荊雷等設(shè)計(jì)的緊湊型準(zhǔn)直鏡光束發(fā)散角為5.4°,均勻性高達(dá)0.92,光效為0.52,另一款折射/全反射/反射/折射式(RIXR)結(jié)構(gòu)的LED準(zhǔn)直系統(tǒng)獲得±3.178°的光束發(fā)散角且光效達(dá)0.8以上。吳仍茂等設(shè)計(jì)的折射-全反射(TIR)準(zhǔn)直系統(tǒng)光效也達(dá)到了0.91,但均勻度略低。為了進(jìn)一步提高LED準(zhǔn)直器的光束質(zhì)量,本文基于邊緣光線原理和光學(xué)擴(kuò)展量守恒思想,引入復(fù)合拋物面和同步多曲面方法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)LED準(zhǔn)直器設(shè)計(jì),取得了較好的效果。本文設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直器入射面直接跟LED熒光膠層相接觸,可以省去上述設(shè)計(jì)中LED與準(zhǔn)直器之間與空氣相接的兩個(gè)界面損耗。為減小準(zhǔn)直器尺寸,利用流線法設(shè)計(jì)出復(fù)合拋物面集光器(CPC)來(lái)完成初級(jí)配光,將朗伯光源±90°發(fā)散角縮小到±45°,再以SMS法設(shè)計(jì)的多重自由反射曲面實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直均勻配光。通過(guò)光學(xué)擴(kuò)展量導(dǎo)出準(zhǔn)直器的理論光效,并引入平頂寬度、平頂光效和平頂均勻度的定義,以更好地反映準(zhǔn)直光束質(zhì)量。2設(shè)計(jì)原則2.1光學(xué)擴(kuò)展量守和流場(chǎng)邊緣光線原理是非成像光學(xué)中最為基礎(chǔ)也是最重要的原理之一。邊緣光線原理的內(nèi)容可以簡(jiǎn)述為:來(lái)自光源邊緣的光線經(jīng)過(guò)若干個(gè)光學(xué)器件的偏折必定射向接收器的邊緣,而來(lái)自光源內(nèi)部的光線也將對(duì)應(yīng)的射向接收器的內(nèi)部。應(yīng)用這一原理,在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以單純的考慮光源邊緣發(fā)出的一對(duì)光線,從而大大降低了設(shè)計(jì)難度。光學(xué)擴(kuò)展量守恒是指對(duì)于一個(gè)理想的非成像光學(xué)器件,其出射光線的光學(xué)擴(kuò)展量與進(jìn)入到該器件的光線光學(xué)擴(kuò)展量相等,應(yīng)用這一理論可以進(jìn)行光學(xué)器件口徑、尺寸等相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。流線理論是非成像光學(xué)中的另一個(gè)重要理論。流線的本質(zhì)是光學(xué)擴(kuò)展量的矢量合成軌跡,其性質(zhì)是在輻射場(chǎng)中放置一條反射性的流線,并不會(huì)改變輻射場(chǎng)的分布情況。由于流線的引入,為非成像光學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)了如下幾個(gè)方面:1)改變光源的尺寸和位置;2)改變光源特性(如發(fā)散或匯聚);3)改變光源配光特性(如光線發(fā)散角等)。Winston-Welford設(shè)計(jì)方法(或稱流線設(shè)計(jì)法)可以針對(duì)光源形狀和輻射場(chǎng)分布設(shè)計(jì)出特定的二次流線反射器形狀,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的初級(jí)配光。2.2擴(kuò)展紫外光光照SMS設(shè)計(jì)方法來(lái)源于其允許對(duì)多個(gè)光學(xué)表面同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的性質(zhì)。由Winston-Welford設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出來(lái)的非成像光學(xué)器件都以邊緣光線原理為基礎(chǔ),即來(lái)自光源的一條邊緣光線經(jīng)反射鏡反射改變方向后必將射向接收器的邊緣。一般的設(shè)計(jì)方法都以點(diǎn)光源為基礎(chǔ),不考慮光源的尺寸,這可以大大降低設(shè)計(jì)難度,但是在實(shí)際應(yīng)用中多采用擴(kuò)展光源,從而導(dǎo)致實(shí)際效果與設(shè)計(jì)預(yù)期效果存在偏差。在SMS設(shè)計(jì)方法中情況并非如此,光學(xué)表面按順序的反射或折射全部來(lái)自擴(kuò)展光源端點(diǎn)發(fā)出的邊緣光線。當(dāng)光源尺寸確定以后,首先選定兩個(gè)表面的起始點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的法線方向,在保證光學(xué)擴(kuò)展量守恒的前提下,由起點(diǎn)開(kāi)始順序的應(yīng)用折射或反射定律以確定光線的入射點(diǎn)和該點(diǎn)處的法線方向。根據(jù)這一機(jī)理,可以在計(jì)算機(jī)程序的輔助下逐次得到兩個(gè)待定表面上的參數(shù)點(diǎn),這些點(diǎn)構(gòu)成了上下兩條“點(diǎn)鏈”,再由樣條曲線的擬合最終同步的確定曲面形狀。SMS設(shè)計(jì)方法可以設(shè)計(jì)出如下幾種光學(xué)器件:1)折射/折射(RR)器件;2)折射/反射(RX)器件;3)反射/折射(XR)器件;4)折射/反射/全反射(RXI)器件。3光學(xué)器件產(chǎn)出波的模擬設(shè)計(jì)中選用功率為1W、直徑為的白光LED,由于未進(jìn)行任何初級(jí)配光,因此該光源可看作是一個(gè)朗伯發(fā)光體,其光強(qiáng)分布遵循式中θ為光線與光源法線的夾角,θ∈(0,π/2)。二維(2D)情況下,平面光源發(fā)出的光線,其光學(xué)擴(kuò)展量U可以表示為式中a0為平面光源尺寸,n為反射器內(nèi)部介質(zhì)折射率。根據(jù)光學(xué)擴(kuò)展量守恒,理想非成像光學(xué)器件出口出射的光線其光學(xué)擴(kuò)展量也為U。因此在光學(xué)器件的出口處可以得到式中β為出射光線的半發(fā)散角,c(σ)為光學(xué)器件出口的參數(shù)化曲線函數(shù),c(σ1)和c(σ2)為曲線c(σ)的兩個(gè)端點(diǎn)Q1QN,如圖1所示。由(3)式可知,當(dāng)系統(tǒng)光學(xué)擴(kuò)展量確定后,出射光線的發(fā)散角越小,出射面的尺寸越大。對(duì)于LED光源,必須令反射/反射(XX)器件的尺寸足夠大以提供較小的光線發(fā)散角。利用RIXR的設(shè)計(jì)方法,可以最大限度地覆蓋光源的發(fā)散角,并減小準(zhǔn)直器尺寸。但是,RIXR結(jié)構(gòu)所采用的多個(gè)自由曲面對(duì)加工要求極高,特別是全反射區(qū)域的自由曲面成型和拋光難度大。因此考慮對(duì)LED芯片進(jìn)行初級(jí)配光以改變光線發(fā)散角度,從而減小XX器件的尺寸和自由曲面數(shù)量,降低設(shè)計(jì)難度。3.1d時(shí),cpc通過(guò)中心緣面的邊緣射線檢測(cè),將其與水平方向的夾角CPC最初設(shè)計(jì)用來(lái)匯聚由無(wú)限遠(yuǎn)處光源發(fā)出的包含在某一立體角內(nèi)的光線。根據(jù)光路可逆原理,可以將CPC逆向使用作為L(zhǎng)ED的配光器件。在圖1中,以LED中心為坐標(biāo)原點(diǎn),對(duì)角線的兩側(cè)端點(diǎn)分別為由E1發(fā)出的邊緣光線在CPC出口處反射后仍為邊緣光線,其與水平方向的夾角為α。CPC側(cè)壁具有這樣的性質(zhì):由光源端點(diǎn)發(fā)出的全部邊緣光線經(jīng)側(cè)壁反射后均變?yōu)榕c水平方向夾角為α的平行光線。對(duì)于給定焦點(diǎn)E1,對(duì)稱軸偏離水平方向角度為α且經(jīng)過(guò)E2點(diǎn)的拋物線可表示為式中φ為E1發(fā)出的某光線與拋物線對(duì)稱軸(圖1中過(guò)E1的虛線)之間的夾角。由(4)式建立的拋物線經(jīng)過(guò)鏡像和截取,最終得到一個(gè)2D情況下的CPC(圖1中E1E2F2F1)。若考慮α=145°,則經(jīng)過(guò)該CPC初級(jí)配光后的配光曲線如圖2所示。通過(guò)CPC的配光,將光源光線的發(fā)散角控制在±45°之間,從而控制XX反射器件的尺寸。3.2光學(xué)擴(kuò)展量的確定現(xiàn)在可以將CPC的出口看作是一個(gè)新光源F1F2,F1F2的長(zhǎng)度(CPC的口徑)約為2mm。以該光源為基礎(chǔ)同步進(jìn)行多個(gè)反射曲面的設(shè)計(jì)。應(yīng)用SMS設(shè)計(jì)方法需要首先確定如下幾個(gè)變量:1)上下反射表面的起始點(diǎn)位置P1、Q1;2)最終由反射器出射光線的半發(fā)散角β;3)P1點(diǎn)處反射表面的法矢量n1。如圖1所示,w1、w2分別為光源端點(diǎn)F2和F1發(fā)出的邊緣光線經(jīng)多表面反射器反射后的對(duì)應(yīng)波前,兩波前之間夾角即為出射邊緣光線的發(fā)散角。由于n1已知,故光線F1P1關(guān)于法線n1的反射光線方向也可以確定。在該方向上的適當(dāng)位置選擇一點(diǎn)Qi,則可以根據(jù)F1P1→P1Qi→Qiw2確定光源左端點(diǎn)到波前w2的光程。根據(jù)非成像光學(xué)理論,在非成像光學(xué)器件設(shè)計(jì)過(guò)程中需要滿足光學(xué)擴(kuò)展量守恒。對(duì)于光源端點(diǎn)發(fā)出并射向P1點(diǎn)的兩條邊緣光線有(5)式中[A,B]表示點(diǎn)A、B之間的光程,Γ為邊緣光線到達(dá)對(duì)應(yīng)波前的光程。該系統(tǒng)中,光學(xué)擴(kuò)展量可以用光程差的形式表示為為保證系統(tǒng)光學(xué)擴(kuò)展量守恒,對(duì)于SMS上的任意點(diǎn)Pi和相鄰的點(diǎn)Qi、Qj、Qk應(yīng)滿足為了取得最佳的準(zhǔn)直效果,準(zhǔn)直器光線的發(fā)散角應(yīng)盡可能小。目前國(guó)內(nèi)相關(guān)研究所能取得的最小半發(fā)散角β為3°,實(shí)驗(yàn)中的設(shè)計(jì)就從3°開(kāi)始逐漸減小設(shè)計(jì)角度,不同的β值也對(duì)應(yīng)了不同的SMS表面形狀。當(dāng)β<1.5°時(shí)點(diǎn)鏈曲線的光滑性和連續(xù)性遭到破壞且產(chǎn)生較嚴(yán)重的遮擋,綜合考慮光效和發(fā)散角后選定半發(fā)散角β=1.5°。根據(jù)(7)式所示的關(guān)系可以同步計(jì)算出上下表面的坐標(biāo)點(diǎn)鏈,再通過(guò)曲線擬合最終得到XX反射器的結(jié)構(gòu)。2D情況下對(duì)于光源F1F2,其光線發(fā)散角為±45°,則根據(jù)(2)式可以計(jì)算出光源光線的光學(xué)擴(kuò)展量US=2F1F2sin45°≈2.828mm。若考慮理想器件則由(3)式可得到光出射面參數(shù)化曲線c(σ)的積分長(zhǎng)度。本設(shè)計(jì)中出射光線的半發(fā)散角β=1.5°,因此c(σ)的積分長(zhǎng)度約為27.013mm,該值為出射面參數(shù)化曲線的理論長(zhǎng)度值。而程序擬合出來(lái)的出射反射面曲線Q1QN長(zhǎng)度約為25.245mm,這與理論值存在一定差異。4光學(xué)模擬和結(jié)果分析4.1光學(xué)擴(kuò)展量和光斑寬度在建模軟件中將設(shè)計(jì)出來(lái)的CPC-XX輪廓結(jié)構(gòu)繞對(duì)稱軸(圖1中y軸)旋轉(zhuǎn)360°可得到該反射器的實(shí)體模型,其半徑為34.5mm,最厚處的厚度為15mm。將該實(shí)體模型導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件,為了支撐SMS反射面并且方便加工,將反射器內(nèi)部介質(zhì)設(shè)定為BK7玻璃,這種設(shè)定并不會(huì)破壞光學(xué)擴(kuò)展量守恒。CPC和SMS表面設(shè)為反射率96%的鏡面,光源設(shè)定為1W?？紤]到僅在出射面上發(fā)生折射會(huì)引入色散現(xiàn)象,然而對(duì)出射光的入射角β<2°,其色散可以忽略,故不失一般性實(shí)驗(yàn)中設(shè)定仿真波長(zhǎng)為546.1nm,并設(shè)追跡光線100萬(wàn)條。分別在距反射器0.2、0.5、1、4、100、200m處插入檢測(cè)平面,檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。由圖3(a)可知,在距離反射器0.1m處,檢測(cè)平面上光斑的輻照度分布為外圈直徑約0.12m的一個(gè)亮環(huán)。隨著距離的增大,該亮環(huán)的中心暗斑逐漸消失并緩慢變亮[如圖3(b)、(c)所示]。圖3(d)、(e)、(f)為遠(yuǎn)場(chǎng)處檢測(cè)平面上的輻照度分布情況。實(shí)驗(yàn)中定義光斑全寬為輻輻照度值下降至峰值輻照度10%時(shí)的光斑寬度,在4、100、200m處檢測(cè)平面上光斑全寬分別約為0.5、8.8、16.7m,同時(shí)由于距離的增大光斑的均勻度也隨之提升。在200m處檢測(cè)平面接收到的光效約為0.79。4.2光斑均度的均勻化由CPC-XX結(jié)構(gòu)可知,某一截面上光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)XX結(jié)構(gòu)的反射被分為左右兩部分出射。由于光束發(fā)散角較小因此在距離光源較近的區(qū)域光強(qiáng)主要集中在兩個(gè)獨(dú)立的峰值曲線上。圖4是距離光源分別為0.2、0.5、1、4m處的光強(qiáng)分布曲線c1、c2、c3及c4。在距離光源較近的檢測(cè)平面上得到的輻輻照度成“雙峰”分布(圖4中c1)。隨著距離的逐漸增加,峰值曲線逐漸展寬(c2)。曲線的峰值則由于光線能量的分散而逐漸減小。當(dāng)兩個(gè)峰值曲線展寬到某一程度后開(kāi)始互相疊加,根據(jù)光強(qiáng)疊加原理則光斑內(nèi)部的光強(qiáng)逐漸增加,暗斑緩慢變亮。c4所示為距離光源4m處的光斑輻輻照度分布曲線,由圖4中可知在該距離處,光斑輻照度逐漸均勻化而非近場(chǎng)處的“雙峰”分布。這是由曲線兩個(gè)峰值展寬疊加過(guò)程中的“補(bǔ)償”效應(yīng)導(dǎo)致的(見(jiàn)圖5)。在圖5中水平軸x是檢測(cè)平面上光斑的徑向方向,豎直軸為輻輻照度值。徑向上某點(diǎn)處在兩個(gè)峰值曲線上的對(duì)應(yīng)輻輻照度值分別為h1和h2,若h1和h2均為x的函數(shù),則根據(jù)疊加原理有式中H(x)為疊加后對(duì)應(yīng)點(diǎn)x處的輻輻照度值。xM和xm為光斑的幾何邊界值,在圖5中該值約為±5m。因此,由于雙峰疊加的補(bǔ)償,疊加后的輻照度呈現(xiàn)較均勻的分布?？紤]到光源發(fā)出光線具有一定的發(fā)散角,因此兩條峰值曲線在展寬過(guò)程中其間距也逐漸增大,因此疊加輻照度的均勻化面積也隨之增大。在圖3中,遠(yuǎn)場(chǎng)100m和200m處的光斑全寬w′1、w′2約為8.8m和16.7m,該反射器的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角可計(jì)算得BK7玻璃折射率n約為1.519,吸收率約為2×10-4mm-1。由于玻璃介質(zhì)的存在,由SMS下表面反射的光線將在反射器出口處發(fā)生折射(見(jiàn)圖6)?？紤]到入射角β極小,由折射引起的色散和能量損失可以忽略。(9)式中已經(jīng)給出了遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角度值2.262°,根據(jù)折射定律可計(jì)算出圖6中入射角值β≈1.489°,該值即為SMS下表面反射光線的實(shí)際發(fā)散角。已經(jīng)得到出射反射面曲線Q1QN長(zhǎng)度為25.245mm,可計(jì)算出反射器出射面處的實(shí)際2D光學(xué)擴(kuò)展量UE≈2.624mm。又由于通過(guò)一個(gè)光學(xué)器件的輻射通量與光學(xué)擴(kuò)展量遵循關(guān)系為Φ=L*U,其中Φ為輻射通量,L*為基本輻射亮度(在熱力學(xué)中L*僅與環(huán)境溫度有關(guān))。理想情況下系統(tǒng)溫度保持不變,故光源和光出射面的基本輻射亮度相等。綜上所述,完全反射情況下系統(tǒng)的光效為式中ΦS和ΦE分別為光源輸入系統(tǒng)的輻射通量與出射的輻射通量。在實(shí)際情況下光源發(fā)出的光線在CPC和SMS結(jié)構(gòu)內(nèi)共發(fā)生三次不完全反射,若同時(shí)考慮玻璃介質(zhì)對(duì)光線的吸收,則系統(tǒng)的實(shí)際光效η′為(11)式中l(wèi)為光線在反射器介質(zhì)內(nèi)的平均傳播距離,鏡面反射率γ=0.96,介質(zhì)吸收系數(shù)δ=2×10-4mm-1。則可以計(jì)算出的系統(tǒng)的實(shí)際光效約為0.81,這與光學(xué)仿真得到的結(jié)果0.79基本相近,相對(duì)誤差小于2.5%。4.3輻照度及光效為了更好地評(píng)價(jià)準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)的性能和準(zhǔn)直光束的質(zhì)量,實(shí)驗(yàn)中引入平頂光學(xué)量概念:平頂寬度wr、平頂光效ηr和平頂均勻度ξr,其中下標(biāo)r表示歸一化截止輻照度值。平頂寬度w