单芯大功率LED匀光照明阵列的设计

甘振华+杜民++高跃明+熊保平+杨丕胤

摘要： 为构造大功率LED激发Cy3/Cy5荧光染料的均匀面照明系统，选择单芯大功率LED芯片PT54TE设计了红绿双通道匀光照明阵列。首先通过分析单芯大功率LED芯片PT54TE辐射强度的分布，建立大功率LED环形照明阵列的模型；然后为提高光线利用率，在LED外侧建立柱面镜反射结构，并通过斯派罗法则求解该结构的参数；最后由Tracepro仿真验证。研究表明，分别由4颗红/绿PT54TE构成的环形阵列在目标平面（30 mm×30 mm）内的光照均匀度大于95.4%，光通量大于700 lm，比未配置柱面镜反射结构的环形阵列的光通量至少提高了52.5%。

关键词： 匀光照明； 大功率LED； PT54TE； Cy3/Cy5； 荧光检测

中图分类号： TH 776文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.06.007

Abstract： The singlecore highpower LED chip of PT54TE was chosen to design the red and the green illumination array for a uniform illumination system which excited the fluorescent dye of Cy3/Cy5. Firstly， by analyzing the distribution of the intensity radiation of a singlecore highpower LED chip of PT54TE， an illumination model of highpower LED for the ringshaped arrangement was established. Then， in order to improve the utilization rate of the light， a cylindrical mirror reflection structure was built on the outside of the LED， and the parameters of the structure were solved by the laws of Spyro. Finally， the simulation results of Tracepro show that the illumination uniformity of the target plane （30mm by 30mm） was more than 95.4%， and the flux was greater than 700 lumens， which increased at least 52.5% compared with the ringshaped arrangement without the cylindrical mirror reflection structure.

Keywords： uniform illumination； high power LED； PT54TE； Cy3/Cy5； fluorescent detection

引言

基于CCD图像处理的荧光定量检测系统，需要均匀的面照明并配合冷却型CCD积分采集所激发产生的荧光光子。由于荧光标记物一般需要较强的激发光源和较高的均匀度，商业化的检测仪常以激光二极管对X/Y方向进行均匀扫描或使用高压汞灯、氙灯进行聚光照明。由于激光二极管功率较小和具有典型的高斯分布，为提高功率密度和消除高斯分布影响，X/Y扫描时激光束聚焦达到微米级别，造成扫描速度缓慢。而高压汞灯和氙灯均为高压气体灯，工作启停时间长，发热量大，寿命短。随着半导体工艺的发展，目前LED已经实现高效率的大功率发射，如美国Luminus Devices公司的单芯LED芯片PT54TE，其发光面积5.4 mm2，红/绿单色可产生高达4.1 W的光辐射输出，光通量超过1 000 lm，这使得大功率LED的光照设计大为简单[1]。LED芯片具有许多的优点，光输出稳定度高、寿命长、光强可精确控制，单色大功率LED和高压汞灯、氙灯相比，有效的光谱能量更集中，是产生大功率单色光的最佳器件，可以代替常用的高压汞灯或氙灯[2]。

虽然单颗大功率LED的能量密度大幅提升，但单个LED的功率依然不能满足大面积、高亮度的照明要求。因LED是非相干光源，多个LED的照明作用可以等效为其单个照明的线性叠加。考虑到目标平面要求光照度均匀分布，最有效的方法是使用LED阵列，采用优化排布方式和投射距离，以实现激发光的照明强度和均匀度的要求[3]。

采用优化设计的大功率LED阵列代替高压汞灯或氙灯作为荧光激发光源，再由冷却型CCD相机积分采集所产生的荧光光子，其检测速度较快，高精度运动部件少，成本也较低[4]。

1原理

2实验结果和分析

照明阵列使用8颗大功率单芯LED芯片PT54TE，红绿各使用4颗，其中每颗红色PT54TER光辐射4.1 W，绿色PT54TEG光辐射4.5 W。由于PT54TE红绿LED的半光强角θ1/2均约60°，其光辐射模式m的取值基本一致。

首先将4颗红色LED芯片PT54TEG采用间隔90°布置，分布在45°、135°、225°和315°的位置；将4颗绿色大功率LED芯片PT54TEG布置相对于红色LED的位置错开45°，分布在0°、90°、180°和270°的位置，其分布如图3所示。

环形阵列匀光照明设计

设定圖3中的4颗红色PT54TER的分布半径为ρ1=30 mm，因N=4，m=1，由MATLAB求解式（8）可得z=36.74 mm。

由于目标平面和LED的安装位置相互固定，PT54TEG绿色LED的投射高度z和PT54TER的取值一致，由式（8）可知LED环形阵列在满足斯派罗法则的情况下，阵列结构参数与LED的光强I0无关。求解式（8）可得PT54TEG的分布半径ρ′1=30 mm，与红色LED芯片PT54TER的分布半径ρ1一致。

上述设计的PT54TE大功率LED的环型阵列，对红绿通道分别使用Tracepro软件进行仿真。

由于PT54TE仍是一个面光源，根据PT54TE规格书的参数，由面光源特性生成器工具，分别构建PT54TER红色LED和PT54TEG绿色LED的面光源模型，并在Tracepro内按图3所示的阵列结构和半径ρ1环型排布LED。当PT54TER红色大功率LED在光辐射输出4.1 W、N=4、ρ1=30 mm和z=36.74 mm时，追迹2×106条光线，其照明分布如图4所示。

均匀度检测使用五点测量法，将目标面内的最小照度值除以最大照度值就可以得到目标面的照度均匀度[13]。红色通道LED阵列的均匀照明区域在坐标的中心位置-15 mm至+15 mm，归一化的最小照度为0.925，最大照度为0.970，照明均匀度大于95.3%，平均光通量大于459 lm。

当PT54TEG绿色大功率LED在光辐射输出4.5 W、N=4、ρ1=30 mm和z=36.74 mm时，追迹2×106条光线，其照明分布如图5所示。

绿色通道的均匀照明区域在坐标的中心位置-15 mm至+15 mm，归一化的最小照度为0.935，最大照度为0.980，照明均匀度大于95.4%，平均光通量大于727 lm。

2.2配置内反射柱面镜的PT54TE环形阵列匀光照明设计

为了更有效地提高LED光线的利用率，在上述环形阵列的LED芯片外侧，采用8片全反射矩形镜片，组成一个八边形柱面，柱面内壁镜片有全反射膜。假定镜面反射率100%并忽略二次反射的影响，相当于在镜像位置扩展出一个相应的LED′，且半径ρ2=ρ1+2ρt，其分布的环形阵列及镜像结构如图6所示，单颗LED及镜像效果的等效光路如图7所示。

设定窄带滤光片半径为5 mm，则LED距离反射镜内壁的最小距离ρt=5 mm；设红绿共8颗PT54TE的分布半径均为30 mm，即圆环半径ρ1=30 mm，则镜像LED′的分布半径ρ2=ρ1+2ρt=40 mm，由MATLAB求解式（9）可得z=40.81 mm。

Cy3/Cy5生物芯片在检测台x′y′平面上所需要的矩形均匀光斑的尺寸为30 mm×30 mm，其外切圆的直径d=42.2 mm。在图6和图7所示的结构中，所配备的具有内反射功能的八边形柱面内壁的每片矩形镜片高z=40.81 mm，宽a=2（ρ1+ρt）tan22.5°=29.0 mm。设镜像LED′经过该柱面镜片投射到x′y′平面时的实际光斑宽度为B1B2，则由相似三角形ΔA3K2K3和ΔA3K1K4、相似三角形ΔA3A1A2和ΔA3B1B2的边比关系可得：

求解式（10）有B1B2=a（ρ2-21.1 mm）/ρt=109.6 mm> 42.2 mm，所以镜像LED′经过柱面镜片等效投射到目标平面30 mm×30 mm面积内的光线，没有缺失。针对设计的PT54TE大功率LED等效的双环型阵列，使用Tracepro软件分别对其红绿通道进行仿真。

当PT54TER红色大功率LED在光辐射输出4.1 W、N=4、ρ1=30 mm、ρ2=40 mm和z=40.81 mm时，追迹4×106条光线，其照明分布如图8所示。

红色通道的均匀照明区域在坐标的中心位置-15 mm至+15 mm，归一化的最小照度为0.930，最大照度为0.970，照明均匀度大于95.8%，平均光通量大于700 lm。

当PT54TEG绿色大功率LED在光辐射输出4.5 W、N=4、ρ1=30 mm、ρ2=40 mm和z=40.81 mm时，追迹4×106条光线，其照明分布如图9所示。

绿色通道的均匀照明区域在坐标的中心位置-15 mm至+15 mm，归一化的最小照度为0.945，最大照度为0.990，照明均匀度大于95.4%，平均光通量大于1 114 lm。

3结论

设计了由4颗红色PT54TER和4颗绿色PT54TEG单芯大功率LED并配置八边形内反射镜片所组成的双通道照明阵列，使用Tracepro追迹4×106条光线，仿真表明在目标平面（30 mm×30 mm）内的照明强度和均匀度均较高，其超过700 lm的光通量和95.4%的均匀度，相比于未配置反射镜片的环形阵列，照明均匀度略优但光通量至少提高52.5%，同时该阵列没有复杂的光学镜片系统，结构简单，轴向尺寸紧凑，具有一定的优越性。

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（编辑：刘铁英）