張 曼

(揚(yáng)州職業(yè)大學(xué), 江蘇 揚(yáng)州 225009)

LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、顯色性好等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)廣泛用于室內(nèi)照明、道路照明、城市亮化、景觀照明和醫(yī)療投影燈等多個(gè)照明領(lǐng)域。LED光源應(yīng)用于室內(nèi)照明系統(tǒng)時(shí),需要解決兩個(gè)問(wèn)題:第一,單顆LED的發(fā)光呈朗伯型,中間光強(qiáng)大,四周小,出光不均勻。為了解決這個(gè)問(wèn)題,傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)一般采用大角度或遠(yuǎn)距離的出光方式,這樣在一定程度上雖然可以降低邊緣與中心的照度差,但是也會(huì)降低目標(biāo)面上的光照度,影響照明效果,甚至?xí)a(chǎn)生眩光,影響視力。第二,單顆LED的發(fā)光亮度比較低,在使用時(shí),需要將多顆LED集成封裝起來(lái),制成光源,以獲得足夠高的亮度。LED光源的集成封裝方法有兩種:第一,先將芯片封裝成器件(比如引腳式、SMD式等),然后再將多個(gè)器件封裝成光源燈體;第二，直接將多個(gè)芯片直接封裝成燈體,比如板上芯片直裝式(COB封裝技術(shù)),這種封裝技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比具有封裝功率密度高、熱阻低等優(yōu)點(diǎn),比較適合大功率多芯片LED的封裝。封裝好的光源需要進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì),這樣不僅可以提高照明的均勻度和出光效率,還可以使出射光線變得柔和,提高照明的舒適性[1]。

LED的光學(xué)設(shè)計(jì)包括一次和二次光學(xué)設(shè)計(jì)。其中,二次光學(xué)設(shè)計(jì)主要是利用光學(xué)仿真軟件,比如Tracepro、Lighttools等,通過(guò)設(shè)計(jì)反射器與透鏡來(lái)對(duì)LED的出光進(jìn)行再分配,以達(dá)到調(diào)整出光效果和提高出光效率的目的。Tracepro具有模型建立簡(jiǎn)單、分析功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn),在近些年應(yīng)用十分廣泛[2]。反射器主要包括圓錐曲面型、3D復(fù)合型、槽型反射器以及自由曲面反射器等,其中3D復(fù)合反射器又包括復(fù)合拋物面型、復(fù)合雙曲面型和復(fù)合橢球面型[3]。透鏡包括球面、非球面、自由曲面和菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡的中心是多個(gè)環(huán)型三棱柱形成對(duì)稱中心的透鏡,具有體積小、重量輕、加工方便、光學(xué)記憶力好、透光率高、改變螺紋角度即可改變光強(qiáng)分布等優(yōu)點(diǎn)。本文以COB封裝的LED為光源,利用復(fù)合反射器和菲涅爾透鏡組合對(duì)LED照明的均勻性進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)。

1 二次光學(xué)設(shè)計(jì)原理分析

1.1 Tracepro仿真軟件

光學(xué)仿真過(guò)程使用Tracepro軟件,它是一種基于Monte Carlo算法的離散分布光線追跡技術(shù)的仿真軟件,主要用于燈具的雜散光分析和光學(xué)仿真設(shè)計(jì)。仿真過(guò)程主要包括:以實(shí)體對(duì)象構(gòu)建光路模型—定義模型光學(xué)特性—定義光源—設(shè)定接受面特性—光線追跡—結(jié)果分析—模型輸出。Tracepro可以通過(guò)模擬光線與實(shí)體之間的實(shí)際作用來(lái)計(jì)算光線的反射、折射、衍射、吸收等特性。

1.2 反射器

以COB封裝的LED為設(shè)計(jì)對(duì)象，假設(shè)定義光源為朗伯型、功率為3W的LED,在距離光源為2.8m處設(shè)置一接受面,用來(lái)觀看出射光線的照度情況。經(jīng)過(guò)Tracepro對(duì)LED光源進(jìn)行建模獲得的配光曲面如圖1所示。從圖1中可以看出,未進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)的LED裸光源的半光強(qiáng)角大約為120°,中心光強(qiáng)最大,角度越大,光強(qiáng)越小,這樣的光源由于出光不均勻,容易造成眩光。

對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)點(diǎn)光源而言,調(diào)整出射光線的均勻性時(shí),只需要放置一個(gè)菲涅爾透鏡,并且調(diào)整菲涅爾透鏡與點(diǎn)光源的距離即可調(diào)整出光均勻性。但是生活中使用的LED通常為朗伯型光源,不能看作點(diǎn)光源,對(duì)這類光源的出光進(jìn)行準(zhǔn)直,就需要將菲涅爾透鏡與反射器配合來(lái)使用,首先經(jīng)過(guò)反射器將光源的出光進(jìn)行聚光,然后經(jīng)過(guò)菲涅爾透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直,才能得到良好的照明效果[4],設(shè)計(jì)原理圖,如圖2所示。

模型建立包括反射器和菲涅爾透鏡兩部分。復(fù)合型拋物面反射器(CPC)由兩面拋物面反射板組成，如圖3所示。

兩片反射板為入射限制線。入射限制線與反射器對(duì)稱軸夾角稱為場(chǎng)視角,復(fù)合型拋物面反射器的入射口半徑為d,出射口半徑為a。當(dāng)復(fù)合拋物面反射器上端開(kāi)口的入射光線與對(duì)稱軸的夾角小于θmax時(shí),光線可直接射出,當(dāng)入射角大于θmax時(shí),光線會(huì)在反射器的內(nèi)壁上經(jīng)過(guò)多次反射,最終從入射口反射出去,不能被利用。所以復(fù)合拋物面反射器的θmax非常關(guān)鍵,它必須滿足邊緣光線原理[5]和光學(xué)擴(kuò)展量守恒定律[6]。

直接影響CPC反射器聚光性能的參數(shù)稱為幾何聚光比(Cg)。Cg的定義為:

(1)

拋物線的焦距為:

f=a(1+sinθmax)

(2)

復(fù)合拋物面反射器的高度為:

(3)

1.3 透鏡

菲涅爾透鏡與普通的非球面透鏡一樣,在平行光入射時(shí),會(huì)在焦平面上匯聚于一點(diǎn)。用于準(zhǔn)直透鏡時(shí),會(huì)在焦平面上產(chǎn)生一個(gè)具有一定空間發(fā)散角的出射光,雖然不是絕對(duì)的平行光,但是對(duì)于朗伯型LED光源的而言,也能起到提高出光均勻性的作用。菲涅爾透鏡光路及傾斜角設(shè)計(jì)見(jiàn)圖4。

F點(diǎn)為光源位置,菲涅爾透鏡上有很多環(huán)型的三棱鏡透鏡,光線經(jīng)過(guò)這些環(huán)帶透鏡后,會(huì)匯聚于另一側(cè)的F′處,f與f′為物距與像距,h為基底厚度。菲涅爾透鏡的厚度跟反射器的厚度相比比較小,可以看作薄透鏡[7]。

注冊(cè)會(huì)計(jì)師一定要對(duì)審計(jì)成果負(fù)責(zé)，注冊(cè)會(huì)計(jì)師又管控風(fēng)險(xiǎn)的主觀思想，注冊(cè)會(huì)計(jì)師自主落實(shí)好審計(jì)任務(wù)，減少審計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，還可以降低自己的責(zé)任。

根據(jù)成像公式:

(4)

L為菲涅爾透鏡的焦距,根據(jù)三角幾何關(guān)系式,折射光線傾斜角,也就是接收角u′:

(5)

每個(gè)環(huán)帶上的錐面(工作面)傾角αi:

(6)

這樣,只要確定了透鏡的焦距、環(huán)帶寬度和透鏡材質(zhì)的折射率,就可以計(jì)算出菲涅爾透鏡各個(gè)環(huán)帶上的傾斜角分布。

2 仿真與結(jié)果分析

2.1 裸光源仿真結(jié)果

首先使用Tracepro對(duì)未經(jīng)過(guò)二次光學(xué)設(shè)計(jì)的裸光源進(jìn)行建模。LED光源的發(fā)光面是直徑為11mm，厚度為0.2mm的圓柱形。發(fā)射形式為光通量,單位為幅度學(xué),場(chǎng)角分布為朗伯發(fā)光場(chǎng)型,功率為3W。在追跡過(guò)程中,光線數(shù)目越多,結(jié)果越精確,但是計(jì)算時(shí)間也會(huì)比較長(zhǎng),本文選擇使用50萬(wàn)條光線。模型建立好后,設(shè)置屬性,然后進(jìn)行光線追跡,仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5可知,裸光源照射在目標(biāo)面上的有效光斑直徑大約為400mm,光斑中心最大照度值為2565 Lux,最大光強(qiáng)角(50%)為115°,從剖面圖上可以看出中心光強(qiáng)最大,隨著角度越來(lái)越大,光強(qiáng)會(huì)越來(lái)越小,光強(qiáng)變化較快。從輻照度圖和剖面圖上可以看出未經(jīng)過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)的裸光源中心光強(qiáng)與周邊光強(qiáng)差別很大,出光不均勻,不適合辦公區(qū)域照明,否則很容易引起眩光與視覺(jué)疲勞。

2.2 二次光學(xué)設(shè)計(jì)后的仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)復(fù)合拋物面和菲涅爾透鏡的二次光學(xué)設(shè)計(jì)后,仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7(a)中可以看出,LED在目標(biāo)面上產(chǎn)生的有效光斑直徑大約為1000mm。從圖7(b)中可以看出,在有效光斑區(qū)域范圍內(nèi),水平方向的最大照度值為950Lux,最小照度值為711Lux;垂直方向的最大照度值為959Lux,最小照度值為726Lux。

光度均勻度計(jì)算公式一般定義為:

(7)

Lmax為最大光度值,Lmin為最小光度值[8]。根據(jù)以上公式進(jìn)行計(jì)算,則在水平方向的光度均勻度為86%;垂直方向的光度均勻度為87%。在整個(gè)有效光斑區(qū)域范圍內(nèi),最大照度值為959Lux,最小照度值為711Lux,計(jì)算得到目標(biāo)面上的光度均勻度為85%。

根據(jù)圖5所示,未經(jīng)過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)的LED裸光源在同樣為1000mm的光斑內(nèi),最大光度值為2565Lux,最小光度值為597Lux,計(jì)算得到光度均勻度為37.7%,而經(jīng)過(guò)透鏡和反射器光學(xué)設(shè)計(jì)后的LED光度均勻度為85%,均勻度提高了47.3%。所以，本設(shè)計(jì)方案對(duì)于提高LED光源的出光均勻性是可行的。

3 結(jié)論

復(fù)合拋物面反射器與傳統(tǒng)反射器相比,出射光更均勻,與自由曲面反射器相比,具有加工方便、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。菲涅爾透鏡具有重量輕、制作成本低、加工方便等優(yōu)點(diǎn),在近些年已廣泛用于燈具的照明設(shè)計(jì)中。通過(guò)Tracepro光學(xué)仿真軟件,以COB-LED為定義光源,光源功率為3W,目標(biāo)面與LED光源距離為2.8m,通過(guò)調(diào)整復(fù)合拋物面反射器的長(zhǎng)度、焦距與菲涅爾透鏡的焦距,對(duì)LED光源的照明均勻度進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì),最終獲得了一個(gè)有效照射光斑直徑為1000mm、水平方向光度均勻度為86%、垂直方向光度均勻度為87%、整體均勻度為85%的設(shè)計(jì)方案,與未經(jīng)過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)的裸光源相比,光度均勻度提高了47.3%,可以滿足室內(nèi)照明、光通信系統(tǒng)、投影系統(tǒng)的需求。