大功率LED阵列光源的配光设计
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ＬＥＤ ａｒｒａｙ ｔｏ ｇｅｔ ａ ｎａｒｒｏｗ ｂｅａｍ ａｎｇｌｅ ｂｙ ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｔｈｅ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ ｃａｌｉｂｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｃｕｐ，ａｎｄ ｓｅｍｉ ｃｏｒｎｅｒｓ ｗａｓ ａｎａｌｉｚｅｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒａｂｏｌｉｃ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｃｕｐ ａｔ １５° ｈａｌｆ ｂｅａｍ ａｎｇｌｅ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄ，ｉｎ ｔｈｅ ｓｃａｌｅ ｏｆ ｑｕａｄｒｉｃ，ｆｕｒｔｈｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｋ ｏｆ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｓ ｄｏｎｅ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｃｕｐ ｗｉｌｌ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｇａｉｎ，ｂｙ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ｃｕｐ，ｔｈｅ ａｘａｉｌ ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｗａｓ ｅｌｉｍｉｎａｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎａｒｒｏｗ ｂｅａｍ ａｎｇｌｅ ａｂｏｕｔ ａ ｐｒｏｊｅｃｔ ｌａｍｐ ｗａｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｉｎ ｆａｓｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｂｅａｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈａｌｆ ｂｅａｍ ａｎｇｌｅ；ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｑｕａｄｒｉｃ；ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ
这里采用 ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ７．２模拟仿真软件，辅助进行大功率 ＬＥＤ［２］投光灯具的二次光学设计，其具体设 计内容为：
（１）根据照明需求及 ＬＥＤ 型号 确 定 ＬＥＤ 光 源 颗 数 和 排 列 方 式，并 进 行 仿 真 分 析。 并 对 设 计 的 ＬＥＤ 光 源 阵 列 实 物 进 行 测 试 ，确 定 仿 真 结 果 的 可 信 度 及 查 看 是 否 达 到 预 定 要 求 。
为了后续配光的方便，设计１５颗 ＬＥＤ 光源为同心 圆 排 布［３］，其 中 内 环 ６ 颗 外 环 ９ 颗，所 用 基 板 为 铝 基 板 。 通 过 平 衡 １５ 颗 光 源 的 电 源 走 线 极 限 及 后 续 配 光 需 要 的 最 小 光 源 阵 列 的 矛 盾 ，取 内 外 同 心 圆 的 半 径 分别为９ｍｍ 和１８ｍｍ，整个扩展光源的外观尺寸为３９ｍｍ，连同铝基板的外径尺寸有５０ｍｍ 左右，如图 １（ｂ）所示。每颗 ＬＥＤ 光 通 量 均 设 定 为 ２３５ｌｍ，对 ＬＥＤ 光 源 阵 列 进 行 模 拟 分 析，得 到 光 强 分 布 图，如 图１（ｃ）所示；其中，总光通量为３ ５２４．５ｌｍ，半峰边角为６３°左右，基本上为朗伯分布 。 ［４］
第 ３４ 卷 第 ３ 期 ２０１２ 年 ６ 月
光 学 仪 器
ＯＰＴＩＣＡＬ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ
文 章 编 号 ：１００５－５６３０（２０１２）０３－００６０－０６
Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１２
大功率 ＬＥＤ 阵列光源的配光设计＊
林 朋 飞１，倪 争 技１，黄 元 申１，夏 冠 群２，杨 洁 翔２，秦 汉１，郑 立 扬２
· ６ ２ ·
光 学 仪 器
第 ３４ 卷
的实际光效，进而提高光源总光通量。为提高仿真模型的真实性，把 单 颗 ＬＥＤ 的 仿 真 光 通 量 由 说 明 书 给 出的２３５ｌｍ 改为实测的１８７．６ｌｍ，作为后续的二次配光的仿真光源。
图 １ ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ光 源 仿 真 图 Ｆｉｇ．１ ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ ｌｉｇｈｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｉｇｕｒｅ
为了验证模拟数据的真实 性，现 利 用 远 方 （ＥＶＥＲＦＩＮＥ）分 布 光 度 计 测 试 系 统 （ＧＯ－２０００Ｈ＿Ｖ１ 系 统 Ｖ２．０．２６５）对设 计 的 光 源 实 物 进 行 了 光 电 测 量［５］，如 图 ２（ａ）所 示，测 量 结 果 如 表 １ 所 示，光 强 分 布 如 图２（ｂ）所示。从仿真和实测的结果对比可以看出，两者总光通量相差较大，主要原因在于温度对 ＬＥＤ 的 光 效 的 影 响 和 测 量 时 功 率 不 稳 定 造 成 的 ，只 要 采 取 了 合 理 的 散 热 措 施 和 驱 动 装 置 ，就 可 以 进 一 步 提 高 光 源
Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ＬＥＤ Ａｒｒａｙ
ＬＩＮ Ｐｅｎｇｆｅｉ１，ＮＩ Ｚｈｅｎｇｊｉ１，ＨＵＡＮＧ Ｙｕａｎｓｈｅｎ１，ＸＩＡ Ｇｕａｎｑｕｎ２， ＹＡＮＧ Ｊｉｅｘｉａｎｇ２，ＱＩＮ Ｈａｎ１，ＺＨＥＮＧ Ｌｉｙａｎｇ２
（２）加 二 次 曲 面 面 型 反 光 杯 ，光 源 放 置 在 焦 平 面 位 置 ；进 行 反 光 杯 参 数 灵 敏 度 分 析 ，确 定 反 光 杯 初 始 几 何 参 数 ，再 以 该 初 始 参 数 为 基 础 进 行 面 型 优 化 ，得 到 最 佳 面 型 。
（３）通过 ＬＥＤ 光源阵列离焦分析，确定光源在反光杯内的最佳位置。
（１．上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 ２０００９３； ２．国 家 半 导 体 照 明 工 程 技 术 研 究 中 心 ห้องสมุดไป่ตู้上 海 ２０１２０３）
摘 要：通过 ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ软件实现针对大功率 ＬＥＤ 阵列光源的窄幅配光系统的设计。首先，分析 了抛物面反光杯的焦距和出光口径 与 半 峰 边 角 的 关 系，并 由 此 关 系 确 定 了 １５°半 峰 边 角 要 求 下 所需的抛物面反光杯的初始面型参数值；其次，在二次曲面范围内对初始面型的面型常数ｋ 做进 一 步 的 优 化 ，得 到 最 佳 的 反 光 杯 面 型 ；再 次 ，改 变 光 源 和 反 光 杯 焦 平 面 之 间 的 相 对 位 置 ，来 消 除 光 强 轴 线 方 向 的 凹 陷 ；最 后 ，实 现 了 窄 幅 投 光 灯 的 配 光 设 计 。 该 设 计 方 法 对 不 同 光 束 角 要 求 的 快 速 配光设计有一定的指导意义。 关 键 词 ：半 峰 边 角 ；ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ软 件 模 拟 ；二 次 曲 面 ；配 光 设 计 中 图 分 类 号 ：ＴＨ ７４１．４ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－５６３０．２０１２．０３．０１２
计 算 机 软 件 中 ，常 用 的 计 算 方 法 是 蒙 特 卡 罗 方 法 ，适 用 于 点 光 源 和 扩 展 光 源 照 明 光 学 系 统 。 它 通 过 追 迹大量的光线来决定照度，进而求出光强分布等其他光学量，它又分正向追 迹 和 反 向 追 迹，即 从 光 源 到 接 收器为正向追迹，从接收器到光源为反向追迹。具体方法为用一个二维阵列 把 接 收 面 分 成 许 多 矩 形 小 方 格，光线从光源的不同点发射出来，通过光学系统后入射到接受面上，于是每 个 小 方 格 都 能 接 收 到 一 定 数 量的光线，接收面上每点的照度值依赖于围绕此点的小方格所收集到的光线的数量 。方格越小，照度描述 得越好。但是要获得一定的精度需要追迹大量的光线。蒙特卡罗的模拟方法既可以较精确地求解一个光 学结构模型，给出具体形象的光分布结果，又可以对光学结构的参数进行灵 敏 度 分 析，可 以 很 容 易 看 到 参 数变化对光分布的影响。目前，在照明 光 学 领 域 应 用 最 广 泛 的 计 算 机 辅 助 设 计 软 件 是 ＯＲＡ 公 司 开 发 的 ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ。 其 主 要 功 能 包 括 ：系 统 建 模 ；光 机 电 一 体 化 设 计 ；复 杂 光 路 设 计 ；杂 光 分 析 和 照 明 系 统 自 动 优 化 、分 析 。
第３期
林朋飞，等：大功率 ＬＥＤ 阵列光源的配光设计
· ６１ ·
的光效已达 １００ｌｍ／Ｗ，但是同非 ＬＥＤ 光源相比，单颗 ＬＥＤ 的光通量仍然太低，因此 ＬＥＤ 阵列光源的配 光设计［１］便成为急需解决的问题。 针 对 此 问 题，以 上 海 市 科 委 项 目———“ＬＥＤ 照 明 技 术 在 外 滩 建 筑 群 中 的示范应用”为依托，以一款５０ Ｗ 的 ＬＥＤ 投射灯为例，探究大功率 ＬＥＤ 阵列光源的快速配光设计问题。
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ－Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２０３，Ｃｈｉｎａ）
２ 光 源 阵 列 设 计
投光灯的设计要求是，总光通量达到３ ０００ｌｍ 左右，选用 ＣＲＥＥ 公司型号为 ＸＰ－Ｇ 系列的 ＬＥＤ 贴 片 光源，如图１（ａ）所示，该 ＬＥＤ 光源半峰边角为６３°，标准１Ａ 电流下的光通量为２３５ｌｍ。因此若要满足总 光通量目标，大概需要１５颗 ＬＥＤ 光源器件。
１ 计 算 机 辅 助 设 计
照明光学系统属于非成像光学系统，只需从能量传递规律的角度进行配光设计。ＬＥＤ 光学系统设计 包括芯片封装之前的器件内的光学设计和 ＬＥＤ 的应用中的器件外的光学设计。器件内的设计涉及芯片、 反射镜和封装芯片的光学透镜，主要影响 ＬＥＤ 芯片的光提取效率和光强 分 布；器 件 外 的 设 计 即 封 装 结 构 之外的光学系统设计，也称为 ＬＥＤ 的二次光学设计，其目的在封装结构外 增 加 反 射 或 投 射 等 结 构 使 得 空 间 光 强 分 布 满 足 实 际 需 求 。 根 据 光 线 在 光 学 系 统 内 的 传 播 方 式 ，光 学 设 计 中 大 量 光 线 的 光 路 追 迹 有 两 类 ： 序 列 光 线 追 迹 和 非 序 列 光 线 追 迹 。 在 非 序 列 光 线 追 迹 中 ，光 线 与 界 面 相 交 的 顺 序 是 未 知 的 ，它 主 要 应 用 在 非 成 像 系 统 中 ，例 如 ，光 导 和 照 明 系 统 等 。
图 ２ 阵 列 光 源 实 测 Ｆｉｇ．２ Ａｒｒａｙ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ
３ 反 光 杯 设 计
表 １ 光 源 阵 列 光 度 数 据 实 测 与 仿 真 对 比 Ｔａｂ．１ Ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｒｒａｙ ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ ｄａｔａ
该 ＬＥＤ 投射灯设计要求为投射距离５ｍ 以上， 配 光 后 出 射 光 半 峰 边 角 要 在１５°以 内 ［６］，连 同 机 械 结 构出光口处外径要小于 ２２０ ｍｍ，几 何 长 度 （不 包 括 电源）不大于２００ ｍｍ。 针 对 准 直 配 光，由 几 何 光 学 知识可知，先把待配光光源近似为点光源［７］，选 择 抛 物面反光杯作为研 究 对 象；再 通 过 对 抛 物 面 反 光 杯 的几何参数的灵敏 度 分 析，确 定 满 足 要 求 的 初 始 反
引 言
由于 ＬＥＤ 灯具的节能，环保，寿命长等优点，ＬＥＤ 照 明 灯 具 的 普 及 是 大 势 所 趋。 虽 然 目 前 单 颗 ＬＥＤ
＊ 收稿日期：２０１１－１１－３０ 基 金 项 目 ：上 海 市 科 学 技 术 委 员 会 基 金 资 助 项 目 （１０ｄｚ１１４１５００） 作者简介：林朋飞（１９８４－），男，河南襄县人，硕士研究生，主要从事 ＬＥＤ 照明光学方面的研究。
这里采用 ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ７．２模拟仿真软件，辅助进行大功率 ＬＥＤ［２］投光灯具的二次光学设计，其具体设 计内容为：
（１）根据照明需求及 ＬＥＤ 型号 确 定 ＬＥＤ 光 源 颗 数 和 排 列 方 式，并 进 行 仿 真 分 析。 并 对 设 计 的 ＬＥＤ 光 源 阵 列 实 物 进 行 测 试 ，确 定 仿 真 结 果 的 可 信 度 及 查 看 是 否 达 到 预 定 要 求 。
为了后续配光的方便，设计１５颗 ＬＥＤ 光源为同心 圆 排 布［３］，其 中 内 环 ６ 颗 外 环 ９ 颗，所 用 基 板 为 铝 基 板 。 通 过 平 衡 １５ 颗 光 源 的 电 源 走 线 极 限 及 后 续 配 光 需 要 的 最 小 光 源 阵 列 的 矛 盾 ，取 内 外 同 心 圆 的 半 径 分别为９ｍｍ 和１８ｍｍ，整个扩展光源的外观尺寸为３９ｍｍ，连同铝基板的外径尺寸有５０ｍｍ 左右，如图 １（ｂ）所示。每颗 ＬＥＤ 光 通 量 均 设 定 为 ２３５ｌｍ，对 ＬＥＤ 光 源 阵 列 进 行 模 拟 分 析，得 到 光 强 分 布 图，如 图１（ｃ）所示；其中，总光通量为３ ５２４．５ｌｍ，半峰边角为６３°左右，基本上为朗伯分布 。 ［４］
第 ３４ 卷 第 ３ 期 ２０１２ 年 ６ 月
光 学 仪 器
ＯＰＴＩＣＡＬ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ
文 章 编 号 ：１００５－５６３０（２０１２）０３－００６０－０６
Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ，２０１２
大功率 ＬＥＤ 阵列光源的配光设计＊
林 朋 飞１，倪 争 技１，黄 元 申１，夏 冠 群２，杨 洁 翔２，秦 汉１，郑 立 扬２
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光 学 仪 器
第 ３４ 卷
的实际光效，进而提高光源总光通量。为提高仿真模型的真实性，把 单 颗 ＬＥＤ 的 仿 真 光 通 量 由 说 明 书 给 出的２３５ｌｍ 改为实测的１８７．６ｌｍ，作为后续的二次配光的仿真光源。
图 １ ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ光 源 仿 真 图 Ｆｉｇ．１ ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ ｌｉｇｈｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｉｇｕｒｅ
为了验证模拟数据的真实 性，现 利 用 远 方 （ＥＶＥＲＦＩＮＥ）分 布 光 度 计 测 试 系 统 （ＧＯ－２０００Ｈ＿Ｖ１ 系 统 Ｖ２．０．２６５）对设 计 的 光 源 实 物 进 行 了 光 电 测 量［５］，如 图 ２（ａ）所 示，测 量 结 果 如 表 １ 所 示，光 强 分 布 如 图２（ｂ）所示。从仿真和实测的结果对比可以看出，两者总光通量相差较大，主要原因在于温度对 ＬＥＤ 的 光 效 的 影 响 和 测 量 时 功 率 不 稳 定 造 成 的 ，只 要 采 取 了 合 理 的 散 热 措 施 和 驱 动 装 置 ，就 可 以 进 一 步 提 高 光 源
Ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ＬＥＤ Ａｒｒａｙ
ＬＩＮ Ｐｅｎｇｆｅｉ１，ＮＩ Ｚｈｅｎｇｊｉ１，ＨＵＡＮＧ Ｙｕａｎｓｈｅｎ１，ＸＩＡ Ｇｕａｎｑｕｎ２， ＹＡＮＧ Ｊｉｅｘｉａｎｇ２，ＱＩＮ Ｈａｎ１，ＺＨＥＮＧ Ｌｉｙａｎｇ２
（２）加 二 次 曲 面 面 型 反 光 杯 ，光 源 放 置 在 焦 平 面 位 置 ；进 行 反 光 杯 参 数 灵 敏 度 分 析 ，确 定 反 光 杯 初 始 几 何 参 数 ，再 以 该 初 始 参 数 为 基 础 进 行 面 型 优 化 ，得 到 最 佳 面 型 。
（３）通过 ＬＥＤ 光源阵列离焦分析，确定光源在反光杯内的最佳位置。
（１．上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 ２０００９３； ２．国 家 半 导 体 照 明 工 程 技 术 研 究 中 心 ห้องสมุดไป่ตู้上 海 ２０１２０３）
摘 要：通过 ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ软件实现针对大功率 ＬＥＤ 阵列光源的窄幅配光系统的设计。首先，分析 了抛物面反光杯的焦距和出光口径 与 半 峰 边 角 的 关 系，并 由 此 关 系 确 定 了 １５°半 峰 边 角 要 求 下 所需的抛物面反光杯的初始面型参数值；其次，在二次曲面范围内对初始面型的面型常数ｋ 做进 一 步 的 优 化 ，得 到 最 佳 的 反 光 杯 面 型 ；再 次 ，改 变 光 源 和 反 光 杯 焦 平 面 之 间 的 相 对 位 置 ，来 消 除 光 强 轴 线 方 向 的 凹 陷 ；最 后 ，实 现 了 窄 幅 投 光 灯 的 配 光 设 计 。 该 设 计 方 法 对 不 同 光 束 角 要 求 的 快 速 配光设计有一定的指导意义。 关 键 词 ：半 峰 边 角 ；ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ软 件 模 拟 ；二 次 曲 面 ；配 光 设 计 中 图 分 类 号 ：ＴＨ ７４１．４ 文 献 标 识 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－５６３０．２０１２．０３．０１２
计 算 机 软 件 中 ，常 用 的 计 算 方 法 是 蒙 特 卡 罗 方 法 ，适 用 于 点 光 源 和 扩 展 光 源 照 明 光 学 系 统 。 它 通 过 追 迹大量的光线来决定照度，进而求出光强分布等其他光学量，它又分正向追 迹 和 反 向 追 迹，即 从 光 源 到 接 收器为正向追迹，从接收器到光源为反向追迹。具体方法为用一个二维阵列 把 接 收 面 分 成 许 多 矩 形 小 方 格，光线从光源的不同点发射出来，通过光学系统后入射到接受面上，于是每 个 小 方 格 都 能 接 收 到 一 定 数 量的光线，接收面上每点的照度值依赖于围绕此点的小方格所收集到的光线的数量 。方格越小，照度描述 得越好。但是要获得一定的精度需要追迹大量的光线。蒙特卡罗的模拟方法既可以较精确地求解一个光 学结构模型，给出具体形象的光分布结果，又可以对光学结构的参数进行灵 敏 度 分 析，可 以 很 容 易 看 到 参 数变化对光分布的影响。目前，在照明 光 学 领 域 应 用 最 广 泛 的 计 算 机 辅 助 设 计 软 件 是 ＯＲＡ 公 司 开 发 的 ＬｉｇｈｔＴｏｏｌｓ。 其 主 要 功 能 包 括 ：系 统 建 模 ；光 机 电 一 体 化 设 计 ；复 杂 光 路 设 计 ；杂 光 分 析 和 照 明 系 统 自 动 优 化 、分 析 。
第３期
林朋飞，等：大功率 ＬＥＤ 阵列光源的配光设计
· ６１ ·
的光效已达 １００ｌｍ／Ｗ，但是同非 ＬＥＤ 光源相比，单颗 ＬＥＤ 的光通量仍然太低，因此 ＬＥＤ 阵列光源的配 光设计［１］便成为急需解决的问题。 针 对 此 问 题，以 上 海 市 科 委 项 目———“ＬＥＤ 照 明 技 术 在 外 滩 建 筑 群 中 的示范应用”为依托，以一款５０ Ｗ 的 ＬＥＤ 投射灯为例，探究大功率 ＬＥＤ 阵列光源的快速配光设计问题。
（１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ－Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｌｉｇｈｔｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１２０３，Ｃｈｉｎａ）
２ 光 源 阵 列 设 计
投光灯的设计要求是，总光通量达到３ ０００ｌｍ 左右，选用 ＣＲＥＥ 公司型号为 ＸＰ－Ｇ 系列的 ＬＥＤ 贴 片 光源，如图１（ａ）所示，该 ＬＥＤ 光源半峰边角为６３°，标准１Ａ 电流下的光通量为２３５ｌｍ。因此若要满足总 光通量目标，大概需要１５颗 ＬＥＤ 光源器件。
１ 计 算 机 辅 助 设 计
照明光学系统属于非成像光学系统，只需从能量传递规律的角度进行配光设计。ＬＥＤ 光学系统设计 包括芯片封装之前的器件内的光学设计和 ＬＥＤ 的应用中的器件外的光学设计。器件内的设计涉及芯片、 反射镜和封装芯片的光学透镜，主要影响 ＬＥＤ 芯片的光提取效率和光强 分 布；器 件 外 的 设 计 即 封 装 结 构 之外的光学系统设计，也称为 ＬＥＤ 的二次光学设计，其目的在封装结构外 增 加 反 射 或 投 射 等 结 构 使 得 空 间 光 强 分 布 满 足 实 际 需 求 。 根 据 光 线 在 光 学 系 统 内 的 传 播 方 式 ，光 学 设 计 中 大 量 光 线 的 光 路 追 迹 有 两 类 ： 序 列 光 线 追 迹 和 非 序 列 光 线 追 迹 。 在 非 序 列 光 线 追 迹 中 ，光 线 与 界 面 相 交 的 顺 序 是 未 知 的 ，它 主 要 应 用 在 非 成 像 系 统 中 ，例 如 ，光 导 和 照 明 系 统 等 。
图 ２ 阵 列 光 源 实 测 Ｆｉｇ．２ Ａｒｒａｙ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ
３ 反 光 杯 设 计
表 １ 光 源 阵 列 光 度 数 据 实 测 与 仿 真 对 比 Ｔａｂ．１ Ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ ａｒｒａｙ ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ ｄａｔａ
该 ＬＥＤ 投射灯设计要求为投射距离５ｍ 以上， 配 光 后 出 射 光 半 峰 边 角 要 在１５°以 内 ［６］，连 同 机 械 结 构出光口处外径要小于 ２２０ ｍｍ，几 何 长 度 （不 包 括 电源）不大于２００ ｍｍ。 针 对 准 直 配 光，由 几 何 光 学 知识可知，先把待配光光源近似为点光源［７］，选 择 抛 物面反光杯作为研 究 对 象；再 通 过 对 抛 物 面 反 光 杯 的几何参数的灵敏 度 分 析，确 定 满 足 要 求 的 初 始 反
引 言
由于 ＬＥＤ 灯具的节能，环保，寿命长等优点，ＬＥＤ 照 明 灯 具 的 普 及 是 大 势 所 趋。 虽 然 目 前 单 颗 ＬＥＤ
＊ 收稿日期：２０１１－１１－３０ 基 金 项 目 ：上 海 市 科 学 技 术 委 员 会 基 金 资 助 项 目 （１０ｄｚ１１４１５００） 作者简介：林朋飞（１９８４－），男，河南襄县人，硕士研究生，主要从事 ＬＥＤ 照明光学方面的研究。