基于Tracepro的LED光照均匀性二次光学设计

张 曼

(扬州职业大学, 江苏 扬州 225009)

LED具有节能、环保、寿命长、响应速度快、显色性好等优点,已经广泛用于室内照明、道路照明、城市亮化、景观照明和医疗投影灯等多个照明领域。LED光源应用于室内照明系统时,需要解决两个问题:第一,单颗LED的发光呈朗伯型,中间光强大,四周小,出光不均匀。为了解决这个问题,传统的照明系统一般采用大角度或远距离的出光方式,这样在一定程度上虽然可以降低边缘与中心的照度差,但是也会降低目标面上的光照度,影响照明效果,甚至会产生眩光,影响视力。第二,单颗LED的发光亮度比较低,在使用时,需要将多颗LED集成封装起来,制成光源,以获得足够高的亮度。LED光源的集成封装方法有两种:第一,先将芯片封装成器件(比如引脚式、SMD式等),然后再将多个器件封装成光源灯体;第二，直接将多个芯片直接封装成灯体,比如板上芯片直装式(COB封装技术),这种封装技术与传统技术相比具有封装功率密度高、热阻低等优点,比较适合大功率多芯片LED的封装。封装好的光源需要进行光学设计,这样不仅可以提高照明的均匀度和出光效率,还可以使出射光线变得柔和,提高照明的舒适性[1]。

LED的光学设计包括一次和二次光学设计。其中,二次光学设计主要是利用光学仿真软件,比如Tracepro、Lighttools等,通过设计反射器与透镜来对LED的出光进行再分配,以达到调整出光效果和提高出光效率的目的。Tracepro具有模型建立简单、分析功能强大等优点,在近些年应用十分广泛[2]。反射器主要包括圆锥曲面型、3D复合型、槽型反射器以及自由曲面反射器等,其中3D复合反射器又包括复合抛物面型、复合双曲面型和复合椭球面型[3]。透镜包括球面、非球面、自由曲面和菲涅尔透镜。菲涅尔透镜的中心是多个环型三棱柱形成对称中心的透镜,具有体积小、重量轻、加工方便、光学记忆力好、透光率高、改变螺纹角度即可改变光强分布等优点。本文以COB封装的LED为光源,利用复合反射器和菲涅尔透镜组合对LED照明的均匀性进行二次光学设计。

1 二次光学设计原理分析

1.1 Tracepro仿真软件

光学仿真过程使用Tracepro软件,它是一种基于Monte Carlo算法的离散分布光线追迹技术的仿真软件,主要用于灯具的杂散光分析和光学仿真设计。仿真过程主要包括:以实体对象构建光路模型—定义模型光学特性—定义光源—设定接受面特性—光线追迹—结果分析—模型输出。Tracepro可以通过模拟光线与实体之间的实际作用来计算光线的反射、折射、衍射、吸收等特性。

1.2 反射器

以COB封装的LED为设计对象，假设定义光源为朗伯型、功率为3W的LED,在距离光源为2.8m处设置一接受面,用来观看出射光线的照度情况。经过Tracepro对LED光源进行建模获得的配光曲面如图1所示。从图1中可以看出,未进行光学设计的LED裸光源的半光强角大约为120°,中心光强最大,角度越大,光强越小,这样的光源由于出光不均匀,容易造成眩光。

对于远场点光源而言,调整出射光线的均匀性时,只需要放置一个菲涅尔透镜,并且调整菲涅尔透镜与点光源的距离即可调整出光均匀性。但是生活中使用的LED通常为朗伯型光源,不能看作点光源,对这类光源的出光进行准直,就需要将菲涅尔透镜与反射器配合来使用,首先经过反射器将光源的出光进行聚光,然后经过菲涅尔透镜进行准直,才能得到良好的照明效果[4],设计原理图,如图2所示。

模型建立包括反射器和菲涅尔透镜两部分。复合型抛物面反射器(CPC)由两面抛物面反射板组成，如图3所示。

两片反射板为入射限制线。入射限制线与反射器对称轴夹角称为场视角,复合型抛物面反射器的入射口半径为d,出射口半径为a。当复合抛物面反射器上端开口的入射光线与对称轴的夹角小于θmax时,光线可直接射出,当入射角大于θmax时,光线会在反射器的内壁上经过多次反射,最终从入射口反射出去,不能被利用。所以复合抛物面反射器的θmax非常关键,它必须满足边缘光线原理[5]和光学扩展量守恒定律[6]。

直接影响CPC反射器聚光性能的参数称为几何聚光比(Cg)。Cg的定义为:

(1)

抛物线的焦距为:

f=a(1+sinθmax)

(2)

复合抛物面反射器的高度为:

(3)

1.3 透镜

菲涅尔透镜与普通的非球面透镜一样,在平行光入射时,会在焦平面上汇聚于一点。用于准直透镜时,会在焦平面上产生一个具有一定空间发散角的出射光,虽然不是绝对的平行光,但是对于朗伯型LED光源的而言,也能起到提高出光均匀性的作用。菲涅尔透镜光路及倾斜角设计见图4。

F点为光源位置,菲涅尔透镜上有很多环型的三棱镜透镜,光线经过这些环带透镜后,会汇聚于另一侧的F′处,f与f′为物距与像距,h为基底厚度。菲涅尔透镜的厚度跟反射器的厚度相比比较小,可以看作薄透镜[7]。

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根据成像公式:

(4)

L为菲涅尔透镜的焦距,根据三角几何关系式,折射光线倾斜角,也就是接收角u′:

(5)

每个环带上的锥面(工作面)倾角αi:

(6)

这样,只要确定了透镜的焦距、环带宽度和透镜材质的折射率,就可以计算出菲涅尔透镜各个环带上的倾斜角分布。

2 仿真与结果分析

2.1 裸光源仿真结果

首先使用Tracepro对未经过二次光学设计的裸光源进行建模。LED光源的发光面是直径为11mm，厚度为0.2mm的圆柱形。发射形式为光通量,单位为幅度学,场角分布为朗伯发光场型,功率为3W。在追迹过程中,光线数目越多,结果越精确,但是计算时间也会比较长,本文选择使用50万条光线。模型建立好后,设置属性,然后进行光线追迹,仿真结果如图5所示。

从图5可知,裸光源照射在目标面上的有效光斑直径大约为400mm,光斑中心最大照度值为2565 Lux,最大光强角(50%)为115°,从剖面图上可以看出中心光强最大,随着角度越来越大,光强会越来越小,光强变化较快。从辐照度图和剖面图上可以看出未经过光学设计的裸光源中心光强与周边光强差别很大,出光不均匀,不适合办公区域照明,否则很容易引起眩光与视觉疲劳。

2.2 二次光学设计后的仿真结果

经过复合抛物面和菲涅尔透镜的二次光学设计后,仿真结果如图7所示。从图7(a)中可以看出,LED在目标面上产生的有效光斑直径大约为1000mm。从图7(b)中可以看出,在有效光斑区域范围内,水平方向的最大照度值为950Lux,最小照度值为711Lux;垂直方向的最大照度值为959Lux,最小照度值为726Lux。

光度均匀度计算公式一般定义为:

(7)

Lmax为最大光度值,Lmin为最小光度值[8]。根据以上公式进行计算,则在水平方向的光度均匀度为86%;垂直方向的光度均匀度为87%。在整个有效光斑区域范围内,最大照度值为959Lux,最小照度值为711Lux,计算得到目标面上的光度均匀度为85%。

根据图5所示,未经过光学设计的LED裸光源在同样为1000mm的光斑内,最大光度值为2565Lux,最小光度值为597Lux,计算得到光度均匀度为37.7%,而经过透镜和反射器光学设计后的LED光度均匀度为85%,均匀度提高了47.3%。所以，本设计方案对于提高LED光源的出光均匀性是可行的。

3 结论

复合抛物面反射器与传统反射器相比,出射光更均匀,与自由曲面反射器相比,具有加工方便、价格便宜等特点。菲涅尔透镜具有重量轻、制作成本低、加工方便等优点,在近些年已广泛用于灯具的照明设计中。通过Tracepro光学仿真软件,以COB-LED为定义光源,光源功率为3W,目标面与LED光源距离为2.8m,通过调整复合抛物面反射器的长度、焦距与菲涅尔透镜的焦距,对LED光源的照明均匀度进行二次光学设计,最终获得了一个有效照射光斑直径为1000mm、水平方向光度均匀度为86%、垂直方向光度均匀度为87%、整体均匀度为85%的设计方案,与未经过光学设计的裸光源相比,光度均匀度提高了47.3%,可以满足室内照明、光通信系统、投影系统的需求。