用于LED光源的反光杯准直效果研究

2021-03-16王海洋金志樑王沛沛熊大曦

照明工程学报 2021年1期

王海洋，金志樑，王沛沛，熊大曦

(中国科学院苏州生物医学工程技术研究所，江苏苏州 215163)

引言

由于寿命长、高效率和可控性等优点，发光二极管(light-emitting diode，LED)[1]已成为照明的主流光源，在远距离照明中得到越来越多的应用，其配光元件的设计也成为研究热点。LED光源是朗伯体光源，直接输出的光发散角很大，可达180°[2，3]，在远程照明中需要合理的二次光学设计以减小LED输出光的发散角，目前的二次光学系统可分为透射系统和反射系统两类。透射系统以透镜为代表，反射系统以反光杯为代表。

透镜作为一种主要的配光元件，已经有了大量的研究和报道[4-8]，但实用效果并不理想。透镜可以很好地准直小角度区域的光线，为使大角度的光线能够照到透镜，透镜的口径要比较大，全内反射透镜(total internal reflection lens，TIR)将透射和反射结合起来，成为研究的重点。TIR透镜工作的基本原理是小角度的光通过透射来准直，大角度的光通过反射来准直[9-12]，目前广泛应用的TIR是低透光率的塑料材料，经常会产生色散现象；同时镜片有两个透明的表面，有一定的厚度。对于任何曲面，无论是在设计或制造过程中的微小偏差，还是透镜中的少量杂质，都会对光的透射和能量分布产生很大的影响；此外，光学透镜具有较高的吸收率，这导致了能量损失。与透射式自由曲面透镜元件相比，反光杯具有结构简单、加工方便、成本低的优点，镀膜后可极大减少材料的内部吸收和散射损耗，因此，采用反射体结构实现远距离照明更加方便、高效。

二次光学系统往往是根据点光源设计的，一个常用的标准是当光学系统的口径与光源口径之比大于5时，光源可以被看作点光源[13]。然而当用在远程照明领域时，光源尺寸的微小影响会被放大，从而影响射程和照明效果，现有研究对此鲜有报道。本文基于TracePro仿真研究了不同尺寸LED光源在不同尺寸反光杯下的有效射程，分析了反光杯尺寸和LED光源尺寸对射程的影响，最终得出反光杯尺寸和LED光源尺寸影响射程的规律，为远程照明领域中针对LED光源应用抛物面型反光杯光学系统具体效果提供参考。

1 设计与仿真

1.1 反光杯

图1 反光杯示意图

本文通过SolidWorks建立反光杯模型，导入TracePro进行光线仿真，仿真过程设定反光杯的反射面为“Mirror”，建立目标面读取照度值。

1.2 光源

本文使用的LED尺寸分别为1 mm×1 mm、2 mm×2 mm和4 mm×4 mm，设定光源的光通量分别是250 lm、1 000 lm和4 000 lm，以保证三种光源发光能力相同。

1.3 射程

根据标准LED手电筒ANSI/PLATO FL-1-2019定义，照度减小到0.25 lx时的距离为射程r，也可以通过照度定律(I=E·r2，I为光轴方向光强，E为距离r处的照度)计算得到。由于反光杯准直LED光源时旁轴光线发生聚焦，本文直接截取10 km处目标面上中心照度值计算射程。

2 结果与分析

2.1 反光杯对射程的影响

本节给定光源为1 mm×1 mm，光通量为250 lm，使用TracePro仿真反光杯口径和高度分别在50～1 000 mm变化下的射程，基于结果绘制等高线图，如图2所示。可知，射程与反光杯的口径和高度都有关系：高度相同时，增加反光杯口径，射程随之增加；口径相同时，反光杯高度增加，射程先增大，然后几乎不变，反光杯高度继续增加，射程开始减小。最佳口径高度比出现在1∶1～1∶2之间，也就是说，当反光杯口径与高度相同时，反光杯的准直效率最高。即使光源的光通量只有250 lm，使用口径为1 000 mm、高为1 000 mm的反光杯也可以实现15 km的远程照明。

图2 射程与反光杯尺寸关系图

非成像光学中用光学扩展量(光展量，Etendue)描述具有一定孔径角和截面积的光束的几何特性，光展量永远不会减小[14]。对于不考虑散射、吸收造成的能量损失的理想的光学系统中，光束经光学系统后光展量守恒。由此可知，反光杯口径越大，出射光线发散角越小，光线能量越集中，射程越远。反光杯对于发散角比较大的光线可以很好的准直，LED光源的能量集中于发散角较小的光线中，因此，高度比较小时，只有很少的能量被投射到目标上，射程较短；随着反光杯高度的增加，射程逐渐增加。反光杯高度比较大时，LED光源的光线在反光杯内被多次反射，显而易见，系统光展量变大，出射光线发散角变大，射程开始降低。

值得注意的是，虽然扩展光源在大口径反光杯的准直下射程更远，但是，由于光线聚焦，近距离的光斑中心光线强度极低，图3所示是反光杯口径为100 mm、高度为100 mm时1 m、2 m、5 m和10 m目标面上的光斑，可以发现，1 m中心照度几乎没有光线，1～10 m内照度也不符合照度定律。这意味着，在应用反光杯准直LED等扩展光源时，不可避免地会有光线聚焦，导致近处光斑中心照度低，出现暗斑。我们发现，反光杯口径越大，暗斑出现的距离越长。因此，虽然口径为1 000 mm、高度为1 000 mm的反光杯可以使得尺寸为1 mm×1 mm、光通量为250 lm的LED光源的射程达到15 km以上，但是近处较长的距离上光斑中心均有暗斑，光线在15 km附近形成一个小的光斑，因此在实际应用反光杯准直LED光源时，应合理选择反光杯尺寸，除了满足射程要求外，也应考虑到近距离上光环的效果。

图3 目标面上光斑图

2.2 光源大小对射程的影响

由2.1节可知，反光杯光学系统最佳口径高度比出现在1∶1～1∶2 之间，本节给定反光杯开口直径为100 mm，高度为100 mm，仿真1 mm×1 mm、2 mm×2 mm和4 mm×4 mm三种光源的射程，光通量分别是250 lm、1 000 lm和4 000 lm，截取50 m处目标面上的最大照度值计算射程，结果如表1所示。可知，改变扩展光源大小，射程虽有增加但相差不大，说明无法增加光源面积(增加LED排列数量)有效增加系统射程，反而造成光源能量利用率。我们注意到，改变光源尺寸，目标面上光斑直径发生了变化，增大LED光源面积，目标面光斑直径增加。如图4所示，在相同距离时不同光源尺寸的光斑大小，光源面积增大一倍，光斑面积相应地约增加一倍。

图4 不同光源尺寸下的光斑大小

表1 50 m目标面上光斑直径

反光杯是针对点光源设计的，只有光源中心的点严格平行出射，而LED上的其他等效光源点(面光源可以看成是无数点光源组成的)出射的光线是旁轴光线。如前所述，在将LED应用于远程照明时，物高的影响被放大，光线投射到光斑外围，对应几何光学像高。由此可知，增加LED面积几乎不可能改变射程，但是可以增大照明面积。这在手电筒等照明设备研制上有重要意义。