差分配焦椭流线法在LED灯具配光设计中的应用.pdfVIP

2013年中国照明论坛一LED照明产品设计、应用与创新论坛 差分配焦椭流线法在LED灯具配光设计中的应用 黄孙港 (国家电光源质量监督检验中心(上海)，国家灯具质量监督检验中心， 上海时代之光照明电器检测有限公司) 摘要：本文基于边光原理和椭流线理论提出一套差分配焦椭流线法的非成像光学设计 Diode)光源的能量分为直接投射到目标面和差分反 方法。该方法主要是将LED(LightEmitting 射配焦到目标面，即通过对目标面的能量补偿、光源能量差分、椭流线虚实焦点的配对、光 学仿真、结果优化五个规范步骤来实现灯具的配光设计。为验证该方法的可行性，本文基于 差分配焦椭流线法设计了一个LED匀光管，仿真结果表明该LED匀光管管壁的照度均匀度为 0．93，满足匀光管的照度均匀度需求。另外，差分配焦椭流线法不仅可运用于LED匀光管的 设计，其在LED射灯、LED隧道灯、LED路灯的配光设计中也同样适用。 关键词：非成像光学；边光原理；椭流线理论；差分配焦椭流线法；配光设计 引 言 LED是21世纪具有竞争力的新型固体光源。体积小、寿命长、效率高、光色纯、无污 染、控制灵活等优点使LED的应用范围越来越广，从普通的信号显示到鸟巢、水立方重点工 程的照明，从景观装饰到道路、家居照明，从特殊场合试点到商场的普遍照明，市场在不断 扩大【H】。但LED与传统的光源比较存在较大的差异，传统的光学系统结构不能适用于LED 光源，因此需要针对LED小尺寸和朗伯配光特性进行二次光学设计也即非成像光学设计。目 前LED光学系统的设计通常是依赖于光学设计软件，但软件的优化功能并不能满足实际的配 光要求，因此更高效的配光设计成为半导体照明设计的热点需求【4击】。 LED的尺寸通常只有毫米级，而一般的照明往往要形成大面积的均匀照明，这就要求LED 灯具要有精确的配光设计。灯具的光学系统一般分为反射型、折射型以及折反混合型11，目 前业内研究比较多的是自由曲面透镜，然而其存在设计难度大、易色散等缺点，而反射型光 学系统设计相对简单、光能损耗小、制作成本低且能够有效避免色散，已成为LED配光设计 2013年中国照明论坛一LED照明产品设计、应用与创新论坛 的另一个重要研究方向∽】。 本文以边光原理及椭流线理论为理论基础，提出差分配焦椭流线法这一非成像光学设计 方法(该方法运用于反射型光学系统中)，并以LED匀光管的配光设计(实现了目标面的均 匀配光)为例，来证明这一方法的真实性及有效性。另外，该方法对太阳能的聚光系统也有 一定的参考价值。 1理论基础 1．1边光原理 边光原理[9。101可以简单地表述为：一束光线，其边界上的光线不管经过多少连续光滑的 超正则光学界面(反射或折射)，最终仍将对应落在目标面上光强分布的边界处。同时，光束 边界内的所有光线也都将落在目标面光强分布的边界内。 1．2流线理论 流线的本质是光能量流动的轨迹，换一种说法就是没有光学扩展量穿越流线‘9。引。对于 一个点光源而言，流线就是光线本身。由流线可以构成流面，流面为非成像光学设计带来以 下三个便利：变换光源的空间位置；改变光源的性质(如发散、会聚等)：改变配光特性。 非成像光学设计常引入二次流线，典型的二次流线有：椭流线、双曲流线以及抛物流线， 传统的聚光灯具的光学系统多采用抛物流线，而LED灯具的光学系统的则更多得采用椭流线 岭】。为了表述方便，本文引入了正源和负源，即实焦和虚焦，光线从正源发出，汇聚到负源。 由两个正源发出的光线构成的流线为双曲流线，一对正负源则构成椭流线。 与灯具尺寸相比，LED可近似为点光源，将LED作为正源，负源是落在目标面上特定的 离散点，负源的数目由设计实际的需要而定，LED与每一个负源构成一对正负源(虚实焦)， 也即产生相应的椭流线，LED与众多负源一起并产生椭流线簇。本文设计过程的实质就是利 用边光原理和椭流线理论，为每个负源确定一条合适的椭流线以及步长来保证通过特定的光 学扩展量，并沿对称轴旋转形成相应的椭流面带，从而确定反光器的结构。 2差分配焦椭流线法 本文以边光原理为基础，利用差分配焦椭流线法设计反光器，来实现大功率LED朗伯型 光源在大面积目标面上的均匀配光。文中以基于差分配焦椭流线法设计的T1