基于提高LED阵列远场照度的设计

1 引言

从20世纪60年代第一个发光二极管问世以来，LED经历了50多年的发展.LED的发光效率虽然不高，但是它的光谱几乎可以全部集中于可见光区域，并且效率可至80%一90%,而传统的白炽灯可见光转换效率只有10%~20%.由于LED具有体积小.响应快.寿命长，并且有节能.环保等优点，其已经应用在了很多方面，它也将在不久后会全部取替白炽灯等传统光源，同时，大幅度的半导体照明应用将在很大程度上节约能源，也会减少二氧化碳的排放量和荧光灯的汞污染，属于绿色光源.因此，着力发展半导体照明产业对我国经济的可持续发展战略具有很大的意义.

目前，LED照明光源的光通量与荧光灯等常用光源相比，还有一定差距，因此，LED要在照明领域发展，关键是要将其发光效率.光通量等提高到现有照明光源的等级.要实现这一目的，首先要提高LED本身的质量，要研制高功率并且高效的LED器件，另外要对LED照明灯具进行优化设计，提高其使用效率，因此研究LED光源二次光学配光设计，满足大功率LED照明配光需求极为迫切.本文在LED阵列外加反光杯与光学透镜，模拟二次光学设计，可以提高器件的发光效率.由于在实际照明中，需要在某一特定距离处达到照度大小的要求，比如建筑物的照明.街景的照明等.针对此问题，本文以“LED照明技术在外滩建筑群中的示范应用”课题为指导，研究LED远场照明的设计问题.

2计算机辅助软件的介绍

本论文采用的软件是Lighttools,是ORA公司研制的三维实体建模软件，可以直接描述光学系统中的光源.反光杯以及透镜.光线在光学系统内的传播遵循几何光学的反射定律和折射定律.根据光线在光学系统内传播方式的不同，通常计算机辅助光学设计软件分为两类，序列光线追迹和非序列光线追迹，前者主要应用于成像光学系统，而后者主要应用于非成像光学系统，如照明光学系统.投影光学系统等.照明光学系统是一种非成像系统，它注重的是能量分配而不是信息传递.它分为三个部分，光源，光学系统，照明平面.一般来说，对照明面的要求大多是对光照度的要求.照明光学系统属于非序列光线追迹，非序列光线追迹分析需要光源发出的按一定空间光强分布的大量随机光线，在非序列光线追迹中，光线与系统中各个界面相交的顺序是不确定的.

LED光源发出的光在出射时的位置.方向都是未知的，这些随机出射光线的位置.方向以及行进过程中与各界面所产生的反射.折射.散射.吸收都需要用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法来模拟.首先建立一个与求解有关的概率模型或随机过程，使它的参数等于所求问题的解，然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出所求解的近似值，因此LED光学系统的一次和二次光学设计都需要追迹大量的光线来达到光学系统性能分析的准确性.

3 LED阵列的布局与二次光学设计的介绍

照明光学设计分为一次光学设计和二次光学设计.前者就是LED发光管的内部设计，一旦LED成型了，一次光学设计也就完成好了，一次光学设计决定了LED出光后的空间光强分布.LED的二次光学设计是在配有LED的灯具内，通过加反光杯，透镜等，使得整个系统的法向光强得到提高，从而更有效合理的利用有限的光能.

在选择LED光源时，要考虑LED的尺寸.排列.功率.发光角度等问题，以实现较高的光能利用率.项目采用的单芯片为CREE公司研发的xM-L芯片，芯片尺寸为5mm×5mm,高度为3mm.以150W投光灯为例，根据照明需求及LED型号，由于正常工作时，LED功率为6.2w左右，因此需24颗芯片.为达到一定的光通量，且光照分布均匀，通常采用多芯片阵列，作为面光源使用，增加LED的排列也就相当于增加发光有效面积，LED芯片组成光源模组(如图1(a)所示).考虑到设计要求中半光强角为15度，即小角度出光，将LED阵列设计为圆形，以同心圆的排列方式.考虑到铝基板走线问题，设置第一圈圆直径18mm,;第二圈圆直径28.6mm,第三圈圆直径37.5mm,第四圈圆直径43mm.四圆均为六个单颗LED等圆周分布(如图l(b)所示).通过仿真，得到了光源阵列的光强分布图(如图1(c)所示)，由图可以看出，半光强角为60度左右，符合朗伯分布.

围绕非成像光学系统的两大核心问题，即光强和光照度，展开对LED照明光学系统的研究.用光学仿真软件对LED进行二次光学设计，提高LED的法向光强大小.

4反光杯的光学设计

4.1 反光杯几何尺寸的确定

将单颗型号xM-L芯片导人软件，未加反光杯的情况下，在20m和40m处建立接收面，得到的照度图如图2所示.

从结果可以发现，要达到40m处接收面照度达到人眼可以观测的程度20lx,需采取一定的措施，在比较不同形式的非成