基于LED大功率扩展光源的二次光学设计

基于LED大功率扩展光源的二次光学设计

【摘要】在目前的低碳环境下，LED照明光源逐步替代传统光源，但是由于其本身结构和自身特点，要进行高效的光能利用与照明，必须进行适当的光学设计以便改善光能分布。笔者首先阐述了LED的光学特性及二次光学设计，其次对LED大功率扩展光源的二次光学设计进行了深入探讨。

【关键词】LED照明;扩展光源;光学设计

Abstract：In the current low carbon environment，LED lighting light source gradually replace the traditional light source，but because of its own characteristics and structure，which carry out efficient energy utilization and lighting，must be proper optical design so as to improve the light energy distribution.The author first expounds the optical properties of leds and the secondary optical design，secondly for high power LED light source expanding secondary optical design has carried on the deep discussion.

Keywords：LED lighting;extended light source;optical design

随着科技生产力的快速发展，能源的消耗量日益提升，为了节约能源，实现绿色和谐的生产、生活方式及社会的可持续发展，全世界正在向低碳时代转型。同样，只要能省电，照明也可以是低碳的。LED是一种特殊的半导体器件，可以将电信号转换为光信号，属于固态光源，由于其具有电压低、效率高、光线质量高、光色纯、寿命长、能耗小、体积小、绿色环保、可靠、耐用等优点在照明领域得到了广泛应用，被称为人类照明史上的第四次照明革命，LED被公认为新一代的环保高科技光源。但是由于LED光源的光强呈余弦分布，不能直接照明，同时为了使LED芯片发出的光能够最高效的输出、最大限度的被利用及满足照明区域的要求，必须对LED进行光学系统的设计。LED在封装过程的设计称为一次光学设计，在LED之外进行的光学设计成为二次光学设计，内容主要探讨LED大功率扩展光源的二次光学设计。

1.LED的光学特性及二次光学设计

LED是指利用化合物材料制成PN结的光电半导体器件，主要具有的光学特性为配光曲线、光谱结构及发光效率等。二次光学设计主要是相对于一次光学设计而言的，在进行二次光学设计时，主要考虑光通量、光强、照度计亮度等，以提高光能的利用率及满足照明区域的光学要求。

2.LED大功率扩展光源的二次光学设计

在进行LED照明光学设计时，针对LED点光源的设计基础，依据边缘光学理论，提出了基于LED大功率扩展光源的设计方法和设计模型。

2.1 照度均匀自由曲面透镜设计

在实际照明时，通常要实现照明目标平面上的照度均匀，为了达到此目的，依据边缘光线理论，设计一种面向LED扩展光源的透镜模型。

图1 透镜算法设计原理图

（1）步进法设计透镜

步进法设计的算法原理如图1所示，LED扩展光源位于坐标原点，Z轴代表光源的中轴线，光源照射平面距离扩展光源的高度为h，设计的光源在照射平面的照度要实现均匀分布Ec。设计步骤如下：

第一步，确定初始曲线A0B0。

取扩展光源最左边的一条光线R’A0为研究对象，A0为入射初始点且坐标已知，根据菲涅耳反射定律及边缘光线理论可以求得r0点上的照度为：

（1）

上式中，分别表示左、右边缘光线与轴线的夹角，Ec为接受面的均匀照度值。

同时根据能量守恒定律：扩展光源发出的总能量等于接受面接受到的总能量可以得到：

（2）

上式中，D、B分别代表扩展光源的直径及亮度，综合上式及菲涅耳反射定律，就能确定A0B0的方程。

第二步，将确定的曲线进行m点等分，依据光学理论知识求出各点的切线、法线方向。

第三步，假设从扩展光源的左边缘R’的光经过A1，在透镜面折射后照射到r1点，再有菲涅耳反射定律求出折射光线，其与B0点的切线交于B1点，该点为新的曲线点。

第四步，设扩展光源右边缘的光线RB1经透镜折射后光线为B1r1，同理计算出B1点的法向量NB1。

第五步，考虑扩展光源左、右边缘的点重复上述二、三步骤逐步计算，直到X轴截至。

图2 透镜外形轮廓曲线图图3 透镜实体模型

（2）算法实现与模型

设定具体的参数通过MATLAB编程进行模型的建立，本文中参数设定如下：LED光源的直径、透镜高度、目标面至光源距离、目标面的照度半径数据分别为：2mm、10mm、3m、3m。通过计算将曲线数据导入SolidWorks制图软件中得到实体模型如图2，3所示。

（3）仿真结果分析

将所得结果进行仿真，结果如下：LED扩展光源的总光通量及目标面上接受的光通量风别为1001m、87.3481m，光能的利用率达到87.348%;目标照明面上照度均匀度达90%以上。改变设计参数多次进行试验验证，结果差别不大，由此可见设计符合要求，达到预期目标。

2.2 光强均匀的自由曲面透镜设计