基于非成像光学的led准直器设计.docx

基于非成像光学的led准直器设计 1 led准直器的结构设计 作为新一代的绿色光源，这种设计的开关（light）具有尺寸小、寿命长（5.14小时以上）、主导电源（80%90%）、环保节能等优点。大功率LED的出现,将LED由最初简单的仪器仪表显示推广到了商用照明领域,并迅速抢占了液晶显示屏(LCD)背光板、交通信号灯、汽车照明、通用照明和景观照明市场。 由于LED光源独特的空间光强分布特性,传统照明灯具已经无法适应LED光源的配光需求,也无法完全发挥其优势,因此需要针对LED的发光特点进行光学设计以提高LED光源系统的性能。非成像光学理论为LED配光设计提供了有力的理论依据。在照明器件的设计中通常使用边缘光线原理以简化设计的复杂性[2~4]。当前照明器件设计主要采用折射型、反射型和折反混合型几种方式。无论是折射型还是反射型,其设计方法都是通过构建特定光学表面来改变光线空间分布,同步多曲面(SMS)方法可实现多个表面的同步设计,已被用在LED准直器的设计中。 LED准直器能很好地满足投影仪、舞台射灯等对准直光源的需求,目前国内LED准直器设计已经取得了较好进展。荆雷等设计的紧凑型准直镜光束发散角为5.4°,均匀性高达0.92,光效为0.52,另一款折射/全反射/反射/折射式(RIXR)结构的LED准直系统获得±3.178°的光束发散角且光效达0.8以上。吴仍茂等设计的折射-全反射(TIR)准直系统光效也达到了0.91,但均匀度略低。为了进一步提高LED准直器的光束质量,本文基于边缘光线原理和光学扩展量守恒思想,引入复合抛物面和同步多曲面方法相结合,实现LED准直器设计,取得了较好的效果。 本文设计的准直器入射面直接跟LED荧光胶层相接触,可以省去上述设计中LED与准直器之间与空气相接的两个界面损耗。为减小准直器尺寸,利用流线法设计出复合抛物面集光器(CPC)来完成初级配光,将朗伯光源±90°发散角缩小到±45°,再以SMS法设计的多重自由反射曲面实现准直均匀配光。通过光学扩展量导出准直器的理论光效,并引入平顶宽度、平顶光效和平顶均匀度的定义,以更好地反映准直光束质量。 2 设计原则 2.1 光学扩展量守和流场 边缘光线原理是非成像光学中最为基础也是最重要的原理之一。边缘光线原理的内容可以简述为:来自光源边缘的光线经过若干个光学器件的偏折必定射向接收器的边缘,而来自光源内部的光线也将对应的射向接收器的内部。应用这一原理,在设计过程中可以单纯的考虑光源边缘发出的一对光线,从而大大降低了设计难度。 光学扩展量守恒是指对于一个理想的非成像光学器件,其出射光线的光学扩展量与进入到该器件的光线光学扩展量相等,应用这一理论可以进行光学器件口径、尺寸等相关参数的计算。 流线理论是非成像光学中的另一个重要理论。流线的本质是光学扩展量的矢量合成轨迹,其性质是在辐射场中放置一条反射性的流线,并不会改变辐射场的分布情况。由于流线的引入,为非成像光学设计带来了如下几个方面:1)改变光源的尺寸和位置;2)改变光源特性(如发散或汇聚);3)改变光源配光特性(如光线发散角等)。Winston-Welford设计方法(或称流线设计法)可以针对光源形状和辐射场分布设计出特定的二次流线反射器形状,从而实现对光源的初级配光。 2.2 扩展紫外光光照 SMS设计方法来源于其允许对多个光学表面同时进行设计的性质。由Winston-Welford设计方法设计出来的非成像光学器件都以边缘光线原理为基础,即来自光源的一条边缘光线经反射镜反射改变方向后必将射向接收器的边缘。一般的设计方法都以点光源为基础,不考虑光源的尺寸,这可以大大降低设计难度,但是在实际应用中多采用扩展光源,从而导致实际效果与设计预期效果存在偏差。 在SMS设计方法中情况并非如此,光学表面按顺序的反射或折射全部来自扩展光源端点发出的边缘光线。当光源尺寸确定以后,首先选定两个表面的起始点及其对应的法线方向,在保证光学扩展量守恒的前提下,由起点开始顺序的应用折射或反射定律以确定光线的入射点和该点处的法线方向。根据这一机理,可以在计算机程序的辅助下逐次得到两个待定表面上的参数点,这些点构成了上下两条“点链”,再由样条曲线的拟合最终同步的确定曲面形状。 SMS设计方法可以设计出如下几种光学器件: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 光学器件产出波的模拟 设计中选用功率为1W、直径为的白光LED,由于未进行任何初级配光,因此该光源可看作是一个朗伯发光体,其光强分布遵循 式中θ为光线与光源法线的夹角,θ∈(0,π/2)。二维(2D)情况下,平面光源发出的光线,其光学扩展量U可以表示为 式中a0为平面光源尺寸,n为反射器内部介质折射率