陳 彤，汪 飛，殷錄橋，張建華

(上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

1 引 言

海洋蘊藏著豐富的資源，大致分為海底礦產(chǎn)、海洋生物、海洋化學(xué)與海洋旅游四類，其中海底的礦產(chǎn)資源可以緩解當(dāng)今社會的能源枯竭，海洋生物與旅游可以促進經(jīng)濟發(fā)展，各國對深海資源的勘探和開發(fā)都趨之若鶩，深海潛水器的研究取得了飛速發(fā)展[1-4]。由于水下環(huán)境中自然光照條件很差[5-8]，因此，水下照明設(shè)備成為深海潛水器上的關(guān)鍵設(shè)備[1]。潛水器照明使用的傳統(tǒng)光源主要有鹵素?zé)?、熒光燈和高強度氣體放電燈。而LED燈節(jié)能、高亮度、體積小、壽命長、可靠性高等眾多優(yōu)點已經(jīng)超越傳統(tǒng)光源[9-12]，成為當(dāng)前低碳運動背景下水下照明領(lǐng)域的必然趨勢[13-14]。

為了給水下工作提供良好的照明效果，世界主要國家紛紛開展了深海照明研究。其中美國深海電力和照明機構(gòu)(DSPL)自38年前公司成立以來一直致力于先進的水下照明，取得的成果最為顯著，已有一系列成熟的產(chǎn)品[15]。如2011年設(shè)計了關(guān)于照明燈透明窗口的壓力補償結(jié)構(gòu)。透明窗口安裝在LED上，透明窗口和LED之間的空間填充有光學(xué)透明的流體，凝膠或油脂，其允許光通過并且傳遞深海壓力，補償了透明窗口內(nèi)外兩面的壓力差，避免透鏡由于受力不同而破裂[16]。在2017年的專利中將LED浸泡在惰性、不導(dǎo)電的充液壓力補償環(huán)境中，提高了燈具的抗壓能力[17]。而液體填充LED燈的缺點包括對光束控制的減少和LED熒光粉涂層的污染可能性增加。因此，通常首選采用壓力保護外殼設(shè)計而不是充液壓力補償設(shè)計來保護LED免受外部壓力。

由于光學(xué)硅膠具有不可壓縮性與優(yōu)良透光性的特點，本文選取了封裝硅膠作為壓力補償結(jié)構(gòu)介質(zhì)。利用折射定律，對封裝不同折射率的硅膠，從使光線在藍寶石透鏡窗口發(fā)生全反射的角度進行了理論計算。利用Tracepro對折射率為1.41～1.55以及硅膠封裝厚度為1.6～3.0 mm的不同光源模組進行了光學(xué)仿真。最后，利用設(shè)計的硅膠封裝實驗對光源模組進行硅膠封裝，并通過積分球進行光通量的測試。

2 封裝硅膠后的光路傳輸分析及光學(xué)仿真

2.1 光源模組的設(shè)計

在復(fù)雜的深海環(huán)境中，海水不僅會對構(gòu)件造成腐蝕，對燈具出射的光線造成大量的吸收與散射，還會產(chǎn)生巨大的壓強，因此深海照明燈具要具備良好的光源模組以及抗腐蝕、抗壓性能。以LED為光源的深海照明燈其光學(xué)模組通常由抗壓透光窗口、反光杯及LED陣列光源組成。對于反光杯，不僅起到抗壓的作用，同時對光源出射的光整形匯聚，使出射的光線滿足一定的發(fā)光角。對于直接與海水接觸的透光窗口材料，不僅需要良好的抗壓與耐腐蝕能力，還需要高的透光性。從應(yīng)用角度來說，藍寶石玻璃是目前世界上透光率最好的光學(xué)玻璃之一，所以深海照明燈具的透光窗口大多采用藍寶石玻璃。由于藍寶石玻璃下方的反光杯有孔洞，所以在受到海水高壓后，會因為應(yīng)力集中而發(fā)生形變。為保證照明燈在6 000 m以下的水深環(huán)境正常工作，需對光源模組進行硅膠封裝。

整體的光源模組如圖1所示，由散熱銅塊、焊有LED燈珠的銅基板、墊片、反光杯、硅膠透鏡、雙面鍍膜藍寶石透鏡組成。硅膠封裝在反光杯與藍寶石透鏡之間起到透光、抗壓的作用。

圖1 整體光源模組

2.2 封裝硅膠后的光線傳輸

本文基于LED燈珠的二次光學(xué)設(shè)計，由于采用高強度、高折射率的藍寶石透鏡作為透光窗口材料，由折射定律可知，光線從光密介質(zhì)傳到光疏介質(zhì)會發(fā)生全反射，造成一部分光線在藍寶石透鏡的出射鏡面由于全反射而損失了能量。現(xiàn)分析光線入射到藍寶石透鏡的3種光路傳輸路徑：光線垂直入射進透鏡，這部分光線直接出射能量最強；光線入射進入透鏡出射面的入射角大于全反射的臨界值會使光線在藍寶石透鏡內(nèi)發(fā)生全反射，無法出射；當(dāng)入射光線角度小于全反射的臨界角時，光線在折射進入空氣的同時，會在藍寶石透鏡內(nèi)部發(fā)生多次鏡面反射。為減少光線在藍寶石透鏡內(nèi)部的鏡面反射，對藍寶石透鏡雙面進行鍍減反射膜處理。

光線在藍寶石透鏡出射面發(fā)生全反射時，由于填充的硅膠折射率不同，造成光線從硅膠入射進入藍寶石透鏡的臨界入射角α也不同，現(xiàn)計算填充每種具體折射率硅膠時的臨界入射角α。根據(jù)折射定律sinθ1n1=sinθ2n2，藍寶石透鏡的折射率1.762,空氣的折射率1.00，可計算出全反射角度β=34°34′，繼而由此推算出發(fā)生全反射時的臨界入射角α。

由折射定律、硅膠的折射率和發(fā)生全反射的角度34°34′，計算出光線在藍寶石透鏡出射面發(fā)生全發(fā)射時從封裝硅膠入射進入藍寶石透鏡的入射角度。表1給出的是常用的光學(xué)級封裝硅膠。由計算可知發(fā)生全反射時的臨界角隨填充硅膠折射率的增加而減小，結(jié)果如圖2所示。

表1 封裝硅膠的光學(xué)特性

圖2 發(fā)生全反射時的臨界角隨填充硅膠折射率的變化

2.3 基于Tracepro進行LED光源模組光學(xué)仿真

2.3.1 光學(xué)仿真過程

SolidWorks中建立的3D光源模組如圖3所示，其中反光杯面型的建模選用拋物面，拋物線的曲線方程根據(jù)反光杯上、下方口徑的頂點坐標以及反光杯的厚度，帶入拋物線方程即可求解。將求解出來的拋物線方程利用SolidWorks軟件繪制出來。將建立好的3D光源模組保存為step格式，導(dǎo)入Tracepro中，如圖4(a)所示。設(shè)置光源的類型和屬性，本文所用光源選擇江西晶能半導(dǎo)體有限公司型號為XG-2系列的LED光源，該LED光源半峰邊角為60°，主峰波長為450 nm，標準1.5 A電流、3.5 V電壓下的光通量為600 lm。查找所用燈珠的數(shù)據(jù)手冊，利用表面光源特性生成器(Surface source property generator)將該光源的表面光源配光曲線以及光譜特性曲線描點，設(shè)置完成后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Tracepro，最終光源的立體配光效果可在Source Beam Shape 3D Preview中查看。設(shè)置各個零件的材料及表面仿真參數(shù)如表2所示，由于藍寶石透鏡的倒角面與密封圈接觸，為更加真實地模擬出光，將倒角面設(shè)置為全吸收。為探究后續(xù)封裝不同折射率硅膠時光線在藍寶石透鏡中的鏡面反射情況，在距光源15 mm處添加60×60×2的接收屏1，不設(shè)置任何表面屬性。在距離光源1 000 mm處添加一塊6 000×6 000×2的接收光屏2，表面設(shè)置為全吸收。光線追跡數(shù)量為24 000，點擊Trace Rays完成光線追跡，如圖4(b)所示。查看接收屏1，光線描述為入射的光照度分析圖，接收屏2光線描述為吸收的光照度分析圖。

圖3 光源模組的主要尺寸參數(shù)(單位mm)

圖4 Tracepro光學(xué)仿真。(a)封裝硅膠的光源模組；(b)光線追跡。

表2 Tracepro仿真參數(shù)

2.3.2 封裝硅膠折射率與厚度對出光光通量的影響

光源模組仿真的反光杯厚度為1.6～3.0 mm，由于硅膠完全封裝在反光杯與藍寶石透鏡之間，所以反光杯的厚度即封裝硅膠的厚度。隨著反光杯厚度的增加，封裝硅膠的體積也在增加。封裝不同折射率的硅膠在不同厚度反光杯里的出光總光通量如圖5(a)所示，從圖5(a)可以看出同一厚度的反光杯光通量隨封裝硅膠折射率的增加而減小，且反光杯厚度從1.6 mm增加至2.5 mm的過程中光通量隨反光杯厚度的增加而增加，從2.5 mm增加至3.0 mm的過程中光通量隨反光杯厚度的增加而減少。這是由于在反光杯厚度為2.5 mm之前，隨著反光杯厚度的增加，使得較多光線經(jīng)過反光杯反射向前傳播[18]，光通量隨之增加。在2.5 mm之后，隨著反光杯厚度的增加，封裝硅膠的填充量將會增加，相應(yīng)地增加了反射光線在反光杯中的光程，即增加了硅膠材料對光線的吸收[19]，導(dǎo)致光通量減小。由仿真結(jié)果可知，最佳的反光杯厚度為2.5 mm。圖5(b)為反光杯厚度為2.5 mm的光源模組其藍寶石透鏡出射面及接收屏1的入射光線光通量的仿真結(jié)果。從圖5(b)可以看出，隨著封裝硅膠折射率的增加，藍寶石透鏡出射面的入射光通量隨之增加，而接收屏1的入射光通量隨之減小，兩者的差值逐漸增加，即更多的光線在藍寶石透鏡中發(fā)生鏡面反射而無法出射，這與光線在藍寶石透鏡出射面發(fā)生全反射時的臨界入射角隨填充硅膠折射率的增加而減小的理論計算相吻合。

圖5 Tracepro仿真結(jié)果。(a)光通量與封裝不同折射率以及封裝不同厚度硅膠的關(guān)系；(b)反光杯厚度為2.5 mm的光源模組其藍寶石透鏡出射面及接收屏1的入射光線光通量。

3 實驗與結(jié)果

3.1 不同折射率與不同厚度的硅膠封裝實驗

選取折射率為1.41的低折射率硅膠DOW-184以及折射率為1.54的高折射率硅膠OE-6550分別進行光源模組的封裝硅膠實驗，實驗條件如表3所示。將硅膠按比例配置放入ZYMC-580非介入式材料均質(zhì)機完成離心攪拌和抽真空的過程，使A、B介質(zhì)充分融合且去除硅膠中的氣泡。在注入硅膠加熱使其固化的過程中，由于焊有LED燈珠的銅基板與墊片、墊片與反光杯的接觸面存在間隙，如不進行良好的密封會使在加熱過程中產(chǎn)生的氣泡通過間隙進入封裝的硅膠中，嚴重影響出光效果，因此需先將硅膠涂至墊片的上下兩面，放入真空干燥箱在150 ℃的溫度下加熱1 h，完成反光杯與光源之間的密封。實驗方案一是將配好的硅膠注入針管，通過點膠機將硅膠注入至與反光杯上表面平齊，由于該實驗方案不能精準地控制注入反光杯每個孔洞的硅膠，造成硅膠在固化好后進行光源模組的螺紋旋轉(zhuǎn)裝配時，稍高于反光杯表面的硅膠會被擠出、稍低于反光杯表面的硅膠與藍寶石透鏡之間會有空氣，嚴重影響出光的光強。

表3 封裝硅膠實驗條件

改進后的硅膠實驗通過圖6所示裝置完成整體光源模組的裝配。將配置好的硅膠直接倒入反光杯中使硅膠完全溢出反光杯表面，將藍寶石透鏡壓至反光杯上方，此時藍寶石透鏡與反光杯之間的空隙使硅膠完全填充。由于也完成了反光杯與光源之間的密封，所以加熱過程中無氣泡生成。將光源模組放至圖6裝置固定，旋轉(zhuǎn)螺桿使下方的軸承壓緊藍寶石透鏡表面，藍寶石透鏡由于在壓力的作用下與反光杯之間無相對滑動。此時旋緊燈殼，光源模組的裝配完成。將光源模組放入真空干燥箱進行硅膠的高溫固化。

圖6 整體光源模組裝配裝置

實驗方案一與改進后的硅膠實驗對比如圖7所示，改進后的硅膠封裝實驗很好地解決了上述問題。

圖7 硅膠封裝實驗。(a)實驗方案一；(b)改進后的硅膠封裝實驗。

3.2 實驗結(jié)果

為了驗證封裝硅膠的最佳厚度以及透光率采用低折射率的封裝硅膠優(yōu)于高折射率的光學(xué)仿真結(jié)果，光源模組的實驗以反光杯厚度為2.0，2.5，3.0 mm各自封裝DOW-184折射率為1.41及OE-6550折射率為1.54的光學(xué)級封裝硅膠，通過HAAS-2000積分球進行光學(xué)測試。仿真與實驗結(jié)果的對比值如表4所示。

表4 反光杯厚度為2.0，2.5，3.0 mm分別封裝折射率為1.41及1.54的光學(xué)級硅膠的仿真與實驗結(jié)果對比

通過上文對發(fā)生全反射時臨界入射角α的計算，封裝硅膠折射率為1.54的臨界入射角為40°29′，封裝硅膠折射率為1.41的臨界入射角為45°10′，提升約為11.5%。對應(yīng)實測結(jié)果：2.0 mm厚度的反光杯封裝折射率1.41的硅膠比封裝折射率1.54的硅膠光通量提升約9.3%，2.5 mm厚度的反光杯封裝折射率1.41的硅膠比封裝折射率1.54的硅膠光通量提升約5.3%，3.0 mm厚度的反光杯封裝折射率1.41的硅膠比封裝折射率1.54的硅膠光通量提升約5.5%；且封裝在同一折射率下，封裝硅膠厚度為2.5 mm的出光光通量大于2.0 mm和3.0 mm的出光光通量。通過實驗測試驗證了仿真及理論計算結(jié)果的準確性。

4 結(jié) 論

基于折射定律，應(yīng)用光學(xué)仿真軟件Tracepro，通過硅膠封裝實驗，研究并分析了封裝硅膠折射率及厚度對光通量的影響。理論計算結(jié)果表明，光線從封裝硅膠入射進入具有高折射率的藍寶石透鏡，使得光線在藍寶石透鏡出射面發(fā)生全發(fā)射，并且全反射的臨界入射角隨填充硅膠折射率的增加而減小。通過對封裝硅膠后的光源模組進行光學(xué)仿真，結(jié)果表明，隨填充硅膠折射率的增加，藍寶石透鏡出射面的入射光通量增加，但其外部接收屏的入射光通量隨之減小，即更多的光線在藍寶石透鏡出射面發(fā)生全反射無法出射，導(dǎo)致光通量隨硅膠折射率的增大而減小。對封裝硅膠厚度的仿真結(jié)果表明，光通量在封裝厚度為2.5 mm時達到最大。利用硅膠封裝實驗對2.0，2.5，3.0 mm的反光杯中分別封裝折射率為1.41的DOW-184及折射率為1.54的OE-6550的光學(xué)硅膠，利用積分球進行光通量測試。結(jié)果表明，出光的光通量在同一厚度的反光杯中封裝低折射率的光學(xué)硅膠高于高折射率的光學(xué)硅膠。且封裝在同一折射率下，封裝硅膠厚度為2.5 mm的出光光通量大于2.0 mm和3.0 mm的出光光通量。本文研究過程中所涉及的參數(shù)均為實際生產(chǎn)中需要考慮的內(nèi)容，研究所得的規(guī)律對于實際生產(chǎn)中提高燈具的光通量具有指導(dǎo)意義。