基于透鏡光源直徑比的led配光設(shè)計(jì)

0點(diǎn)光源、表面光照、實(shí)際光柵建模方法的選擇緊湊的綠色屋頂是綠色二次光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。作為系統(tǒng)的組成部分，蘑菇源（即蘑菇芯片）的光度建模準(zhǔn)確性直接影響目標(biāo)表面的光場(chǎng)和能量的分布。同時(shí)，它也是全球光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和輔助優(yōu)化的基礎(chǔ)。因此，光源的精確建模是蘑菇技術(shù)的中心之一。目前，常用的光源建模方法有三種：ray文件光源（簡稱ray光源）建模法、點(diǎn)光源建模法、表面光源建模法．ray光源模型是由LED生產(chǎn)商提供的光源實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)構(gòu)建的，具有較高的準(zhǔn)確度．但是這種方式存在兩個(gè)普遍的問題：1）芯片種類繁多，許多芯片生產(chǎn)商并未提供實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)；2）用ray光源建模法進(jìn)行二次配光、優(yōu)化輔助型設(shè)計(jì)時(shí)歷時(shí)較長，設(shè)計(jì)效率低．點(diǎn)光源建模法和表面光源建模法較為方便簡單，是目前LED配光設(shè)計(jì)中最為常用的建模方法，并且二次配光元件的初始模型都是基于點(diǎn)光源建立的，輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化大部分采用表面光源建立．但這兩種建模方法的可靠性如何，能否在一定條件下替換ray光源建模，是該領(lǐng)域設(shè)計(jì)者最為關(guān)心的問題．為此，ThogerKrai等人以小角度透鏡為例對(duì)點(diǎn)光源、ray光源兩種建模方式進(jìn)行了分析，獲得了點(diǎn)光源模型替代ray光源模型的條件．但是，前人的研究僅僅局限于點(diǎn)光源和ray光源在小角度情況下的替代關(guān)系，難以滿足現(xiàn)在LED燈具設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用需求．基于以上問題，本文針對(duì)常用光源建模方法在不同光束角內(nèi)可靠性問題進(jìn)行了具體研究．采用非成像光學(xué)理論，以ray光源模型作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，以全反射式透鏡為例，通過優(yōu)化不同比例透鏡光源模型的方法，對(duì)點(diǎn)光源、表面光源、ray光源建模三種建模方式分別在大（±15°）、中（±10°）、?。ā?°）三種不同光束角度系統(tǒng)中的差異及可靠性進(jìn)行分析對(duì)比．最終得出光束角±15°，模型比達(dá)到36∶2時(shí)，表面光源建模與ray光源建模之間的差異才可忽略，表面光源建模是可靠的；在光束角為±10°，該模型比為44∶2；在光束角為±5°，該模型比為82∶2．而對(duì)于點(diǎn)光源建模與ray光源模型相比始終存在一定的差異，在緊湊型LED配光設(shè)計(jì)中不宜采用點(diǎn)光源建模．這一結(jié)果為緊湊型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中光源模擬提供了參考依據(jù)．1基于所有不同建模方式的對(duì)比實(shí)驗(yàn)本文選擇常用的緊湊型全反射式二次配光元件作為初始模型，其二維模型如圖1．其中，θ為光束角，透射面(1)和全反射面(2)都為自由曲面，通過能量守恒及斯涅爾定律計(jì)算得到．為了研究方便定義模型比為透鏡直徑D與芯片大小d之比．點(diǎn)光源建模即將光源視為一點(diǎn)，只包含光強(qiáng)信息．表面建模是將LED光源文檔提供的發(fā)光強(qiáng)度和波長分布曲線（亮度信息）輸入到特定的建模工具中，然后通過描點(diǎn)取樣后獲得，最后將其賦予發(fā)光面導(dǎo)出．ray光源建模主要描述LED光線的出射模式，同時(shí)包含發(fā)射點(diǎn)坐標(biāo)、發(fā)射方向、光線強(qiáng)度和波長等信息．只有在點(diǎn)光源、表面光源、ray文件光源三種典型空間分布光線高度相似的前提下，三種建模方式的差異比較才是有意義的，從而才可以研究它們之間的替換性．本文用NCC來表示三種建模方式之間的相似度．通過計(jì)算得出，點(diǎn)光源、表面光源與實(shí)際ray光源之間的NCC值均大于98%．由于這三種建模方式由光源發(fā)出光線的典型空間分布誤差達(dá)到2%，所以在確定模型比下，光源和系統(tǒng)配合并且目標(biāo)面上三種建模方式之間的能量利用率之差在±2%之間時(shí)，可認(rèn)為它們之間是可以相互替換的．圖2為三種建模方式可靠性分析流程圖．建模設(shè)計(jì)驗(yàn)證的過程包括：1）建立初始透鏡模型；2）在一定模型比下，用點(diǎn)光源、ray光源和表面光源分別優(yōu)化透鏡；3）互換建模：在一定模型比下，互換點(diǎn)光源與ray光源建模、表面光源與ray光源建；4）對(duì)比分析，以目標(biāo)面的能量利用率為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)獲得點(diǎn)光源、表面光源與ray光源在能量利用率誤差為±2%之內(nèi)的可替換性．2模擬分析2.1基于點(diǎn)光源建模的合成優(yōu)化整體優(yōu)化以自由曲面上點(diǎn)的位置作為優(yōu)化變量，以目標(biāo)面上最大光通量和實(shí)際光通量之差作為優(yōu)化函數(shù)，用ΔΦ表示，ΔΦ值越小，說明自由曲面透鏡的光能利用率越好．光線在經(jīng)過每個(gè)面時(shí)會(huì)發(fā)生折反射，當(dāng)光線垂直入射時(shí)菲涅爾損失達(dá)到目標(biāo)面最大的光通量為92.2%.ray光源采用creexml-cw，芯片大小2×2mm2．點(diǎn)光源、表面光源、ray光源建模三種建模方式在每個(gè)模型比下迭代次數(shù)為2700次．最終以ΔΦ最小的透鏡模型作為每種建模方式的最優(yōu)透鏡配合光源進(jìn)行分析．由于考慮到光斜入射時(shí)菲涅爾損失比垂直入射大，因此以目標(biāo)面上目標(biāo)有效能量達(dá)到91.9±0.2%的透鏡結(jié)構(gòu)為最優(yōu)透鏡．優(yōu)化結(jié)果顯示，點(diǎn)光源建模在不同光束角下優(yōu)化透鏡在目標(biāo)面的能量均在91%左右．為便于表示，用直線代替，如圖3.光束角為±5時(shí)°，模型比從14∶2增至82∶2,ray光源建模在目標(biāo)面的能量從16%增加到91%；表面光源建模在目標(biāo)面的能量從32%增加到91%.光束角為±10°時(shí)，模型比從14∶2增至44∶2,ray光源建模在目標(biāo)面的能量從52%增加到91%；表面光源建模在目標(biāo)面的能量從32%增加到91%.光束角為±15°時(shí)，模型比從12∶2增至32∶2,ray光源建模在目標(biāo)面的能量從68%增加到91%；表面光源建模在目標(biāo)面的能量從84%增加到91%.2.2表面兩光源建模在同一光束角、某一模型比下，驗(yàn)證點(diǎn)光源建?？煽啃缘臈l件：點(diǎn)光源建模最優(yōu)透鏡、ray光源建模最優(yōu)透鏡、點(diǎn)光源用ray光源替換、ray光源用點(diǎn)光源替換四種建模方式，在目標(biāo)面上的能量差值之差在±2%之間．在此時(shí)點(diǎn)光源即可替換ray光源同時(shí)說明點(diǎn)光源是可靠的．驗(yàn)證表面光源的可靠性原理與點(diǎn)光源相同．2.2.1點(diǎn)光源建模與能量值的比較點(diǎn)光源用ray光源替換，結(jié)果如圖4中虛曲線．隨著模型比的增大，光束角為±5°時(shí)，點(diǎn)光源用ray光源替換后在目標(biāo)面上的能量值從13.8%逐漸增加到84%．光束角為±10°，該能量值從41%增加到86.8%；光束角為±15°，該能量值從53.9%增加到87%.ray光源用點(diǎn)光源替換，結(jié)果如圖4中實(shí)曲線．隨著模型比的增大，光束角為±5°時(shí)，ray光源用點(diǎn)光源替換后在目標(biāo)面上的能量值從74.6%逐漸增加到91%；光束角為±10°時(shí)，該能量值從86.3%增加到91%；光束角為±15°時(shí)，該能量值從90.6%增加到91%.對(duì)點(diǎn)光源建模與ray光源建模進(jìn)行比較，結(jié)合圖3和圖4，可看出：無論在何種模型比下，點(diǎn)光源用實(shí)際ray光源建模替換后目標(biāo)面上的能量值普遍低于ray光源建模最優(yōu)透鏡在目標(biāo)面上的能量值．當(dāng)光束角為±5°時(shí)，隨著模型比從14∶2增加到82∶2，以點(diǎn)光源配合ray光源建模最優(yōu)透鏡，目標(biāo)面上的能量值從74.6%增加到91%；以ray光源配合點(diǎn)光源建模最優(yōu)透鏡，目標(biāo)面上的能量值從13.8%增加到84%．后者的能量值始終低于前者．說明在光束角為±5°時(shí)，此模型比下點(diǎn)光源均無法代替ray光源進(jìn)行系統(tǒng)的建模．這一結(jié)論與ThogerKrai采用其他模型時(shí)得出的結(jié)論相似．當(dāng)光束角為±10°時(shí)，隨著模型比的增大，以點(diǎn)光源配合ray光源建模最優(yōu)透鏡，目標(biāo)面上的能量值從41%增加到86.8%；以ray光源配合點(diǎn)光源建模最優(yōu)透鏡，目標(biāo)面上的能量值從86.3%增加到91%．后者的能量值與前者相比仍存在差異，且該差異并不在允許范圍內(nèi)．當(dāng)光束角為±15°時(shí)，也能得到相同的結(jié)論．因此，在系統(tǒng)中，點(diǎn)光源建模與實(shí)際ray光源建模相比仍存在一定誤差，在設(shè)計(jì)透鏡時(shí)不建議用點(diǎn)光源進(jìn)行建模．2.2.2基于能量模型的表面光照建模ray光源用表面光源替換，結(jié)果如圖5中實(shí)曲線所示．隨著模型比的增大，光束角為±5°時(shí)，ray光源用表面光源替換后在目標(biāo)面上的能量值從31.6%增加到91%；光束角為±10°，該能量值從73%增加到91%；光束角為±15°，該能量值從84.1%增加到91.3%.表面光源用ray光源替換，結(jié)果如圖5中虛曲線所示．隨著模型比的增大，光束角為±5°時(shí)，ray光源用表面光源替換后在目標(biāo)面上的能量值從16.1%增加到89.2%；光束角為±10°時(shí)，該能量值從49.3%增加到89%；光束角為±15°時(shí)，該能量值從63.5%增加到90%.對(duì)將表面光源建模和ray光源建模進(jìn)行比較，結(jié)合圖3，圖5，可看出：在光束角為±5°，模型比為14∶2時(shí)，表面光源、ray光源、表面光源用ray光源替換、ray光源用表面光源替換四種建模方式在目標(biāo)面上的能量值分別為31.6%、16.2%、16.1%、29.2%．四種建模方式的能量差距值最大為16%．當(dāng)模型比增至82∶2，四種建模方式在目標(biāo)面的能量值均達(dá)到90%左右．此時(shí)，可認(rèn)定在光束角±5°、模型比為82∶2時(shí)，我們能用表面光源建模的方式為系統(tǒng)找到所需的二次配光元件，從而說明在此模型比、此光束角下表面光源是可靠的．而在該模型比之前表面光源建模方法的準(zhǔn)確度會(huì)大大降低．當(dāng)光束角為±10°，該模型比為44∶2；光束角為±15°，該模型比為32∶2．以上數(shù)據(jù)，可以為緊湊型LED配光設(shè)計(jì)提供依據(jù)，同時(shí)減少輔助設(shè)計(jì)時(shí)間，對(duì)后續(xù)工作的開展非常有利．3點(diǎn)光源建模對(duì)比本文基于Tracepro軟件大量優(yōu)化的結(jié)果，探討點(diǎn)光源、表面光源、ray光源三種建模方式與系統(tǒng)配合時(shí)的建模差異，從而找出它們之間替換的可行性．整體建模分析以ray光源建模為對(duì)比原型，分別以朗伯型點(diǎn)光源、實(shí)際發(fā)光曲線面