基于提高LED阵列远场照度的设计

像光学组件后，结合实际情况最终选择反光杯和透镜与LED构成系统，使该种投射器能满足给定的出射光角度要求，并在目标照射面内达到照明要求.二次光学设计所采用的模型通过微加工而成，其形状可以控制LED器件的发散角度，把光源出射的光导向所要的工作空间.考虑到从抛物面焦点发出的光线经过反光杯会平行出射，实验中先将反光杯面型定为抛物面.通过安装反光杯，使发出的光线准直聚焦.

抛物面反光杯切面图如图3所示，可知抛物面在焦平面处的截面圆直径为4f,其中：D为反光杯口径大小，f为焦距(抛物线顶点O到焦点F的距离)，L为抛物线焦点F到出光口的距离，d为反光杯总长度.由于在一定的口径下，焦距越大，反光杯越浅，这样越达不到聚光的作用，并考虑到光源模组的尺寸(铝基板外径①=56mm)，选择计算f=16.18.20.22mm时的反光杯口径对配光的影响.

为了确定反光杯的最佳尺寸，我们对反光杯口径D.40m处光照度.光学效率这几个量的关系进行模拟分析，为了仿真结果更接近于真实情况，将反光杯反射面的反射率设为85%,并将实验室测得的xM-L灯具的光通量值416lm数据导入软件中.

之后，通过对出光口径D和焦距f进行参数灵敏度分析，将反光杯焦距设为f=16.18.20.22mm.且光源阵列位于焦平面时：得到的结果如图4所示，远场光强剖切图如图5所示.

由图5分析可得，同一焦距下，D与效率E成反比，同一D下，f与照度E也成反比.要满足要求，半光强角A需尽量小，40m处照度足够大.且反光杯整体长度未超过限度，最后确定D=180mm.f=20mm时，反光杯面型最佳.

但是此时的半光强角太大.从图5可以看出，光强存在双峰现象，由于软件在读取半光强角的大小时，默认选取中心光强的一半来读取，但实际中发现，中心光强并非光强的最大值，因此需要进行手动读取，通过模拟，得到在D=180mm,f=20mm时，半光强角为11.2度左右，满足条件，可以达到要求.

确定D与f之后，对确定的反光杯进行配光分析，得到40m处的照度图如图6所示.

由远场光强剖切图可以看出，光强存在凹陷，说明光源位于焦平面处不太合理，需进行离焦分析.在离焦分析之前，由于光源的前后移动可能会与反光杯尾部发生接触，并考虑到散热及灯具美观，将反光杯的底部进行切割处理，以便放置散热器.分别在焦平面前后方5mm及焦平面处3个位置处进行切割，由于切割之后，光源的离焦移动可能会损失部分光能，因此，在切割之后的反光杯底部加圆柱形蒙皮，将蒙皮长度确定为20mm,内壁反射率同样设为85%.在不同切割距离处，通过光源离焦分析，得到40m处照度.效率及半光强角的关系如图7所示.

经过数据对比，在不同位置切除反光杯底端后，配光效果差异很小.要满足半光强角A在15度左右，且照度满足要求，最后确定在焦平面右侧5mm处切割，且通过离焦分析，发现光源阵列在z=27mm时，即在焦平面右侧7mm处达到最佳，半光强角最小，最聚光，为11.7度，此时最大照度为16.7llx,此时强度剖切图(如图8(a)所示)和照度图(如图8(c)所示)以及最终设计的反光杯三维模型如图8(b)所示.

由分析可知，光源离焦对配光效果影响很大，因此，在反光杯实际加工时，需在其内部设计微调装置来确定最佳位置.

5透镜的光学设计

5.1透镜的形状确定

用于LED照明的光学准直器主要有两种，透镜和反光杯.LED光源发出的初始光在经过反光杯全反射准直之后，都会以同一准直方向出射，从以上分析可以看出，LED阵列在加了反光杯之后，照度大小仍然不能达到最佳，因此，需要在反光杯内增加透镜来达到要求.透镜材料选择PMMA,俗称有机玻璃，是迄今为止合成透明材料中质地最优异，价格又比较适宜的品种，折射率约为1.4.

通过几何光学分析，得出加透镜有两种方法，第一种，在出光口处加透镜;第二种，为了避开反光杯出射的平行光，将透镜放在反光杯内某一位置.

按照第一种情况，在出光口加透镜.保持前口径不变，改变后口径曲率，看对照度大小的影响，确定最佳曲率.为确定后表面的曲率半径，首先对后表面曲率半径和40m处照度最大值之间进行了灵敏度分析(如图9所示)，以确定最佳的优化起始面型，减少优化耗时.

当半径为R=92.2mm,最大照度为27.08blx此时半光强角为11度，满足条件.

5.2透镜的位置确定

按照第二种情况，先在3个位置进行模拟，将透镜放置于距光源25mm,50mm,74.25mm处，如图10所示，确定后口径半径，观察改变后口径曲率对40m处照度的影响.

为了避开反光杯出射的平行光，设边缘直线L.方程为：

其中：k--直线斜率，由于L.通过点(0,23)，(74.25,90)，可得出直线方程为：

此时的y即为透镜前表面直径.将透镜放在反光杯内不同位置，得到的