林朋飛，倪爭技，黃元申，夏冠群，楊潔翔，秦 漢，鄭立揚(yáng)

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.國家半導(dǎo)體照明工程技術(shù)研究中心，上海 201203）

引 言

由于LED燈具的節(jié)能，環(huán)保，壽命長等優(yōu)點(diǎn)，LED照明燈具的普及是大勢所趨。雖然目前單顆LED的光效已達(dá)100lm／W，但是同非LED光源相比，單顆LED的光通量仍然太低，因此LED陣列光源的配光設(shè)計(jì)［1］便成為急需解決的問題。針對此問題，以上海市科委項(xiàng)目——“LED照明技術(shù)在外灘建筑群中的示范應(yīng)用”為依托，以一款50W的LED投射燈為例，探究大功率LED陣列光源的快速配光設(shè)計(jì)問題。

1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

照明光學(xué)系統(tǒng)屬于非成像光學(xué)系統(tǒng)，只需從能量傳遞規(guī)律的角度進(jìn)行配光設(shè)計(jì)。LED光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括芯片封裝之前的器件內(nèi)的光學(xué)設(shè)計(jì)和LED的應(yīng)用中的器件外的光學(xué)設(shè)計(jì)。器件內(nèi)的設(shè)計(jì)涉及芯片、反射鏡和封裝芯片的光學(xué)透鏡，主要影響LED芯片的光提取效率和光強(qiáng)分布；器件外的設(shè)計(jì)即封裝結(jié)構(gòu)之外的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，也稱為LED的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，其目的在封裝結(jié)構(gòu)外增加反射或投射等結(jié)構(gòu)使得空間光強(qiáng)分布滿足實(shí)際需求。根據(jù)光線在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的傳播方式，光學(xué)設(shè)計(jì)中大量光線的光路追跡有兩類：序列光線追跡和非序列光線追跡。在非序列光線追跡中，光線與界面相交的順序是未知的，它主要應(yīng)用在非成像系統(tǒng)中，例如，光導(dǎo)和照明系統(tǒng)等。

計(jì)算機(jī)軟件中，常用的計(jì)算方法是蒙特卡羅方法，適用于點(diǎn)光源和擴(kuò)展光源照明光學(xué)系統(tǒng)。它通過追跡大量的光線來決定照度，進(jìn)而求出光強(qiáng)分布等其他光學(xué)量，它又分正向追跡和反向追跡，即從光源到接收器為正向追跡，從接收器到光源為反向追跡。具體方法為用一個(gè)二維陣列把接收面分成許多矩形小方格，光線從光源的不同點(diǎn)發(fā)射出來，通過光學(xué)系統(tǒng)后入射到接受面上，于是每個(gè)小方格都能接收到一定數(shù)量的光線，接收面上每點(diǎn)的照度值依賴于圍繞此點(diǎn)的小方格所收集到的光線的數(shù)量。方格越小，照度描述得越好。但是要獲得一定的精度需要追跡大量的光線。蒙特卡羅的模擬方法既可以較精確地求解一個(gè)光學(xué)結(jié)構(gòu)模型，給出具體形象的光分布結(jié)果，又可以對光學(xué)結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，可以很容易看到參數(shù)變化對光分布的影響。目前，在照明光學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件是ORA公司開發(fā)的LightTools。其主要功能包括：系統(tǒng)建模；光機(jī)電一體化設(shè)計(jì)；復(fù)雜光路設(shè)計(jì)；雜光分析和照明系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化、分析。

這里采用LightTools7.2模擬仿真軟件，輔助進(jìn)行大功率LED［2］投光燈具的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，其具體設(shè)計(jì)內(nèi)容為：

（1）根據(jù)照明需求及LED型號確定LED光源顆數(shù)和排列方式，并進(jìn)行仿真分析。并對設(shè)計(jì)的LED光源陣列實(shí)物進(jìn)行測試，確定仿真結(jié)果的可信度及查看是否達(dá)到預(yù)定要求。

（2）加二次曲面面型反光杯，光源放置在焦平面位置；進(jìn)行反光杯參數(shù)靈敏度分析，確定反光杯初始幾何參數(shù)，再以該初始參數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行面型優(yōu)化，得到最佳面型。

（3）通過LED光源陣列離焦分析，確定光源在反光杯內(nèi)的最佳位置。

2 光源陣列設(shè)計(jì)

投光燈的設(shè)計(jì)要求是，總光通量達(dá)到3000lm左右，選用CREE公司型號為XP－G系列的LED貼片光源，如圖1（a）所示，該LED光源半峰邊角為63°，標(biāo)準(zhǔn)1A電流下的光通量為235lm。因此若要滿足總光通量目標(biāo)，大概需要15顆LED光源器件。

為了后續(xù)配光的方便，設(shè)計(jì)15顆LED光源為同心圓排布［3］，其中內(nèi)環(huán)6顆外環(huán)9顆，所用基板為鋁基板。通過平衡15顆光源的電源走線極限及后續(xù)配光需要的最小光源陣列的矛盾，取內(nèi)外同心圓的半徑分別為9mm和18mm，整個(gè)擴(kuò)展光源的外觀尺寸為39mm，連同鋁基板的外徑尺寸有50mm左右，如圖1（b）所示。每顆LED光通量均設(shè)定為235lm，對LED光源陣列進(jìn)行模擬分析，得到光強(qiáng)分布圖，如圖1（c）所示；其中，總光通量為3524.5lm，半峰邊角為63°左右，基本上為朗伯分布［4］。

為了驗(yàn)證模擬數(shù)據(jù)的真實(shí)性，現(xiàn)利用遠(yuǎn)方（EVERFINE）分布光度計(jì)測試系統(tǒng)（GO－2000H＿V1系統(tǒng)V2.0.265）對設(shè)計(jì)的光源實(shí)物進(jìn)行了光電測量［5］，如圖2（a）所示，測量結(jié)果如表1所示，光強(qiáng)分布如圖2（b）所示。從仿真和實(shí)測的結(jié)果對比可以看出，兩者總光通量相差較大，主要原因在于溫度對LED的光效的影響和測量時(shí)功率不穩(wěn)定造成的，只要采取了合理的散熱措施和驅(qū)動(dòng)裝置，就可以進(jìn)一步提高光源的實(shí)際光效，進(jìn)而提高光源總光通量。為提高仿真模型的真實(shí)性，把單顆LED的仿真光通量由說明書給出的235lm改為實(shí)測的187.6lm，作為后續(xù)的二次配光的仿真光源。

圖1 LightTools光源仿真圖Fig.1 LightTools light simulation figure

圖2 陣列光源實(shí)測Fig.2 Array light source measured

3 反光杯設(shè)計(jì)

該LED投射燈設(shè)計(jì)要求為投射距離5m以上，配光后出射光半峰邊角要在15°以內(nèi)［6］，連同機(jī)械結(jié)構(gòu)出光口處外徑要小于220mm，幾何長度（不包括電源）不大于200mm。針對準(zhǔn)直配光，由幾何光學(xué)知識可知，先把待配光光源近似為點(diǎn)光源［7］，選擇拋物面反光杯作為研究對象；再通過對拋物面反光杯的幾何參數(shù)的靈敏度分析，確定滿足要求的初始反光杯幾何尺寸；然后再以該幾何尺寸為初始條件，確定最優(yōu)化的二次曲面面型。

表1 光源陣列光度數(shù)據(jù)實(shí)測與仿真對比Tab.1 Light source array photometric data measured and simulation contrast

3.1 反光杯幾何參數(shù)確定

拋物面反光杯的剖切面方程為：

式（1）中，f為反光杯的焦距，D為反光杯出光口徑，d為焦平面直徑，L為焦平面到出光口徑間的反光杯長度，如圖3（a）所示。對于固定的焦距f來說，D和L成正比例關(guān)系，因此通過對仿真的配光系統(tǒng)進(jìn)行D和f的參數(shù)靈敏度分析即可確定反光杯面型，其中反光杯反射面反射率［8］設(shè)置為85%。

當(dāng)LED陣列光源位于焦平面中心時(shí)，通過分析f分別為10mm、12mm、14mm、16mm 時(shí)，反光杯出光口徑D和燈具效率E［9］及半峰邊角A之間的關(guān)系，如圖4（a）所示?？梢钥闯觯涸谀骋唤咕鄁下，出光口徑D與燈具效率E成反比例關(guān)系；在同一出光口徑D下，焦距f與燈具效率E成正比例關(guān)系，且在出光口徑D為140mm時(shí)的燈具效率均在86%以上。為了驗(yàn)證焦距f與燈具效率E之間的正比例關(guān)系，又分析了在出光口徑D為140mm情況下，拋物面反光杯焦距f與效率E之間的關(guān)系，如圖4（b）所示。從圖4（c）可以看出，出光口徑D和半峰邊角A（即峰值光強(qiáng)的一半所對應(yīng)的角度）都成遞減趨勢，且在口徑D大約為140mm時(shí)不同焦距f下的D－A圖線難以分辨。

圖3 反光杯參數(shù)圖示及仿真圖Fig.3 Reflective cup parameters icon and simulation plan

圖4 反光杯參數(shù)靈敏度分析Fig.4 Parameter sensitivity analysis of the reflector cup

從對圖4的分析可以看出，出光口徑大于140mm時(shí)滿足15°以內(nèi)的半峰邊角A，且經(jīng)計(jì)算出光口處連同散熱結(jié)構(gòu)的幾何外徑未超過220mm，因此可選擇的最大反光杯口徑為140mm。同時(shí)考慮到鋁基板連同光源陣列的最大外徑尺寸為50mm，以及成品燈具的幾何長度不大于200mm的要求，當(dāng)焦距f為16mm時(shí)，反光杯長度L為60mm左右，滿足燈具設(shè)計(jì)要求；若焦距f過大，反光杯長度過短，起不到理想的配光作用。通過D和f確定的反光杯剖切面方程為：

式（2）中，D＝140mm，f＝16mm。

3.2 反光杯面型的優(yōu)化

二次曲面是以二次曲線為母線，繞中心軸旋轉(zhuǎn)一圈得到的面，其方程為：

式（3）中，r2＝x2＋y2，c為曲率，k為曲面常數(shù)。k＝0為球面；－1＜k＜0為橢圓面（長軸在Z軸）；k＝－1為橢圓面；k＜－1為雙曲面；k＞0為橢圓面（短軸在Z軸）。

為了在二次曲面（球面，橢圓面，雙曲面）［10］范圍內(nèi)得到最優(yōu)的反光杯面型，通過對3.1節(jié)中確定的f＝16mm，D＝140mm的初始拋物面面型進(jìn)行面型參數(shù)k的優(yōu)化，得到當(dāng)k＝－1.09的雙曲面面型為最優(yōu)的反光杯面型。但同拋物面面型相比雙曲面型反光杯對光源的準(zhǔn)直配光效果的提升影響很小，幾乎可以忽略，因此采用拋物面面型作為最終的反光杯面型。

4 光源位置確定

用LightTools軟件對設(shè)計(jì)的拋物面反光杯和陣列光源組成的系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析［11］。當(dāng)拋物面的f＝16mm，D＝140mm時(shí)，得到配光后的光強(qiáng)分布圖［如圖5（a）所示］和距離光源5m處的照度圖［如圖5（b）所示］。從圖5（a）可以看出，配光后在軸線方向上出現(xiàn)了光強(qiáng)凹陷［12］；從圖5（b）也可以看出，在接收面中心200～400mm之間的環(huán)帶為照度［13］最大值區(qū)域，這些說明LED陣列光源置于焦平面不合適。需要對光源進(jìn)行離焦分析［如圖5（c）所示］以確定光源最佳位置。

圖5 最佳反光杯配光效果圖和光源離焦圖Fig.5 The lighteffects diagramsof the best reflector cupandthe defocus curve of the light source

由于在LightTools中半峰邊角的讀取是按軸線零度方向光強(qiáng)的一半來讀取的，因此從圖5（c）可以看出，光源在z＝0焦平面處的峰值表明軸線方向的光強(qiáng)凹陷，其原因主要是陣列光源并非完全是從焦點(diǎn)發(fā)出所致；峰值兩側(cè)的谷值表明軸線方向凹陷的消失，其中，達(dá)到兩個(gè)谷值的離焦量僅為幾個(gè)毫米，其原因是陣列光源相對于反光杯焦平面位置的微小改變產(chǎn)生了一個(gè)近似幾何尺寸較小的虛擬光源所致。從以上分析可以看出，光源在反光杯中位置的微小變化對配光效果影響很大，因此在實(shí)際的燈具加工過程中，需要設(shè)計(jì)反光杯和光源相對位置的微調(diào)裝置來調(diào)節(jié)光源的最佳安裝位置。

5 結(jié) 論

拋物面反光杯是LED燈具配光中常用的配光方式，通過LightTools軟件仿真分析了拋物面反光杯的出光口徑、焦距等參數(shù)對LED陣列光源的配光效果的影響，進(jìn)而指導(dǎo)反光杯幾何尺寸的初步確定，再對該初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化得到了滿足要求的反光杯結(jié)構(gòu)和光源放置位置。通過設(shè)計(jì)實(shí)踐可知，該自動(dòng)化的設(shè)計(jì)方法在設(shè)計(jì)不同半峰邊角要求的系列燈具時(shí)可以做到簡潔高效，易于掌握，便于設(shè)計(jì)人員在燈具設(shè)計(jì)前對要設(shè)計(jì)的反光杯的幾何參數(shù)有一定的宏觀把握，對后續(xù)的結(jié)構(gòu)及配光設(shè)計(jì)又有一定的指導(dǎo)意義。

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