非成像光学应用于LED照明的研究

By | 2020年7月24日

  1 引言


  自从1879年,托马斯·爱迪生创造了世界上第一盏白炽灯,人类就进入了照明的另外一个新时代——电气照明时代。从1962年至今,发光二极管(LED)技巧历经了40多年的飞速倒退,半导体光源使用于照明畛域的两年夜瓶颈:光效与老本成绩也正在迅速失去改善,今朝年夜功率LED的光效已超越传统的室内照明光源(白炽灯、荧光灯),因而照明畛域已普遍以为LED照明光源是继火光照明、白炽灯、荧光灯、气体灯之后呈现的第四代新型绿色固态寒光源,因为LED具备平安节能、短命命、绿色环保、色调丰厚、抗震抗打击、微型化、呼应速率快等明显优点,如能齐全代替传统光源进行照明,它将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一飞跃,其经济以及社会心义微小。最先的照明设计中,人们普通是采纳依据经历的实测办法进行的,即起首凭仗经历做一个实际的模子,之后看看这个模子能否合乎设计要求,实测法尽管比拟精确,但只有正在照明零碎制作进去当前能力进行,一旦发现其光学特点不克不及餍足要求,只能从新设计以及制作灯具,这岂但添加了人力以及物力的耗费,并且延伸了灯具的设计以及制作周期。


  跟着使用光学的倒退,人们逐步把握了球面透镜、非球面透镜、各类根本方式的反射器的设计原理,经过器件及其组合达到设计指标。这一期间,次要采纳的是成像光学的设计办法,设计者通常将相似的能量搜集或调配成绩当做是一种具备很年夜数值孔径的成像光学识题。经过这类办法设计的光学零碎通常其实不能获得理想的能量搜集率。但设计这种光学搜集器的指标是获得或靠近获得实践数值的最年夜极限。那末若何可以失去理想的器件呢?


  20世纪60年月中期,正在传统的成像光学设计办法的根底上逐步倒退出了一系列新实践,并被使用于上述能量搜集以及调配的办法中。这类采纳新实践的光线搜集器件被定名为非成像搜集器(nonimaging concentrators)。这类新倒退进去的光学零碎没有同于传统的成像光学零碎,其具备一些导光管或具备很年夜畸变的成像光学零碎的性子。关于这些非成像零碎的设计以及实践的钻研为多少光学的倒退开辟了不少新的思维以及实践。因为非成像搜集器注重的是能量的调配,而没有是明晰的成像,以是这类器件能够很好地使用于照明畛域。正在照明畛域中,光源收回的光线普通来讲具备较宽的角度(例如LED收回的光线是朗伯散布,白炽灯等光源收回的光线是球形散布),因而能够应用非成像光学器件对这些光线进行高效率的准直。故采纳非成像光学设计原理工作的照冥具件能够很好的实现设计指标。


  今朝,非成像光学实践的体系以及LED二次光学设计技巧内容较为紧凑,国际论述这方面设计办法的文献材料缺乏零碎性、完好性。本文的目的就是将非成像光学的一些次要根底实践做零碎性的演绎、整顿、论述,正在此根底上较完好、零碎地引见了一些LED灯具的二次光学配光用具的设计办法。


  2 非成像光学的根本概念以及实践


  普通来讲,非成像光学的根本实践框架体系可归纳综合为两大略念(能量搜集率与光学扩大量)、三年夜原理(边缘光线实践、费马原理以及马吕斯—杜宾定律)和多少光学的四年夜根本定律(光的直线流传定律、光的自力流传定律以及光的折射、反射定律),它次要钻研两类成绩,第一类成绩普通被称为“光束耦合成绩”(bundle-coupling),该成绩的要害正在于若何将光线搜集到指标接纳器上并同时取得最年夜搜集率。非成像光学钻研的第二类成绩通常被称为“指定辐射度”或“指定光强散布”(prescribedirradiance)成绩,该类成绩次要被使用正在照明畛域。正在本文中,次要思考第二类成绩。例如,正在汽车照明或室内照明等畛域,通常应用的光源是灯胆或LED芯片,而且指标外表阔别光源,且指标外表要求完成指定的光强散布。正在非照明畛域,也有一些相似的使用,例如,用于室内通讯的广角红外接纳器,当接纳器的灵活度被指按时,为弥补桌面上多个发射器的没有同衔接间隔,接纳器灵活度的作用就与照明设计中光强散布的作用相似了。


  2.1 能量搜集率(concentrationratio)的概念


  因为非成像光学重视的是能量的调配,当建设一个如图(1)所示的非成像器件的模子时能够看到,它具备一个入射孔径面积为A的立体以及一个出射孔径面积为A’的立体。假定它的出射孔径面积A’能够让一切的光线均透过它出射,那末通常将器件入射光束的面积与器件出射光束面积的比值C界说为能量的搜集率。



  图1 能量搜集率的概念


  关于2D零碎来讲该能量的最年夜搜集率为C2D=1/sinθ,而关于一个旋转对称的3D零碎来讲能量最年夜搜集率为C3D=1/sin²θ。今朝能量搜集率的概念被普遍用于非成像光学零碎的评价上。


  2.2 光学扩大量(ètendue)的概念


  光学扩大量的概念源于光能正在非成像光学零碎中的通报。当光能正在通报进程中无丧失时,光通量的通报可示意为φ=φ’。依据光洁度Lθ,光强朗伯余弦散布Iθ以及平面角ω的公式,一个光强成朗伯余弦体散布的LED光源,能够按下式来界说它的光通量φ,假定式中dS为LED光源中的一巨大物面,其光洁度为Lθ,故该巨大物面收回的光通量为


  (1)


  对式(1)进行化简并带入无损光通量通报公式φ=φ’,即可失去式(2),式中U为法线与主光线的孔径角。


  (2)


  思考到空间中光线亮度的通报成绩,可化简式(2),失去式(3)


  (3)


  该式即为光学扩大量的数学表白式,由此能够很容易地失去光通量φ与光学扩大量(ètendue)的关系式


  (4)


  ètendue出自法语,原意为多少量值(geomet-ricalextent),今朝不对立的中文译名。故笔者依据其意译为光学扩大量。它是光学零碎中的一个首要目标,正在非成像光学中,该值越年夜,象征着通报的光能越多。行使光学扩大量守恒的概念,即可进行自在曲面配光器件设计公式的推导。

 

  2.3 非成像光学的三年夜原理


  边缘光线原理(Theedge-rayprinciple),费马原理(Fermat’s principle)以及马吕斯—杜宾定律(thetheoremofMalusandDupin)长短成像光学的三年夜根本原理。此中,费马原理界说了“光程”(opticalpath)的概念,这也是马吕斯—杜宾定律中提出的“波前”(wavefront)概念根底,同时马吕斯—杜宾定律也标明“光线束正在各向异性介质的流传进程中,始终放弃着与波面的正交性。”该定律长短成像聚能器(CompoundParabolicConcentrator,CPC)设计的首要实践根底。边缘光线原理(theedge-rayprinciple)最先被作为假定引入到非成像聚能器的设计中,起初直到1986年,才由Mińano提出相干的数学证实。根本内容就是:关于以最年夜角度入射到非成像光学器件外部的光线,正在通过一次反射或折射后必然会被疏导到聚能器出射口边缘,出射光线仍然是聚光器出射口处出射角度最年夜的光线。该原理象征着正在非成像光学设计中,仅需思考边缘地位的光线,而没有需求思考太多的其余外部光线。


  2.4 多少光学的四年夜根本定律


  多少光学今朝已被使用于年夜局部的光学零碎设计中,无论长短成像光学仍是成像光学零碎,均需恪守多少光学的根本实践,该内容可正在不少册本文献中查到。光的直线流传定律次要阐明“正在各向异性的平均介质中,光沿直线流传”;光的自力流传定律阐明“从没有同的光源收回的光束以没有同标的目的经过空间某点时,彼此互没有影响,各光束自力流传”;当光线通过两种平均介质分界面时,遵照折射定律以及反射定律。反射定律的概念是“入射光线、反射光线以及投射点法线三者正在同一立体内,入射角以及反射角两者相对值相等、符号相同,即入射光线以及反射光线位于法线的双侧”。当光透过通明介质时恪守折射定律,它的内容是“入射光线、折射光线以及投射点法线三者正在同一立体内,入射角的正弦与折射角的正弦之比与入射角的巨细有关,而与两种介质的性子无关。对肯定波长的光线,正在肯定温度以及压力的前提下,该比值为一常数,等于折射光线所正在介质的折射率n’与入射光线所正在介质的折射率n之比”。


  反射定律、折射定律的矢量表白式由Ries等人自1993—2002年延续宣布的多篇相干论文而提出。它采纳一个二阶的偏偏微分等式(Monge-AmpereTypeEquation),对“波前”进行形容,同时自在曲面的法向量、曲率等也能够被形容成对应的微分方程,将其代入上面的向量方式的折、反射定律公式,便可失去相应的偏偏微分方程组。


  (5)


  式中为入射光线的矢量、为出射光线的矢量,为入射光线与自在曲面交点的法向矢量。该方式的折、反射定律今朝被宽泛使用于非成像光学自在曲面配光器件的设计中。


  3 使用非成像光学进行LED二次配光器件的设计


  3.1 LED光源光强散布的特性


  关于一个年夜功率LED芯片来讲,LED发光管内的光学构造通常由芯片以及硅胶(或PC)透镜形成。硅胶透镜的多少形态决议了LED出光后的空间光强散布。通常来说依照光强的散布特性,光源可分为三品种型:朗伯散布光源、平均散布光源和受限朗伯散布光源。


  关于LED芯片,普通来讲,芯片发光面通过PC透镜(也有硅胶透镜)出射光线的角度散布合乎朗伯余弦定律,即示意为


  (6)


  式中θ为该标的目的与立体法向的夹角,I0为法向最年夜光强。该光强散布正在LED的自在曲面透镜设计中被宽泛使用。


  3.2 复合抛物聚能器(Compound Parabolic Con-centrator,CPC)的设计


  1966年,苏联的B.K.巴兰诺夫以及G.K.苗尔尼可夫,美国的H.海一英特伯格以及R.温丝东和1967年德国的M.帕洛克前后自力地提出了一种用于高能物理试验钻研中的辐射探测器,其特性是可将探测器启齿面上的蕴含正在设计承受角内的透射辐射全副搜集到外围的承受元件。随后,这类最后用于高能物理搜集辐射的器件被前后用于太阳能搜集以及照明畛域,并获得了精良的成果。依据数学推导能够证实该零碎具备最年夜能量搜集率。依据式(7),行使公式(8),即可实现普通CPC的设计。


  



  此中:(9)


  式中搜集角θi为入射光线角度,a’为入射孔径尺寸,a为出射孔径尺寸。对于CPC的设计,依据没有同的需求,能够有几类变形。例如行使折射率公式能够设计实心CPC。行使两标的目的搜集角的没有同设计矩形CPC。图2是这几种CPC的设计实例。该类配光器件已被宽泛使用于LED射灯、LED投光灯的二次光学设计中。



  图2 没有同品种的CPC设计及其照度散布


  3.3 自在曲面配光器件的设计


  行使非成像光学实践中的光学扩大量守恒概念(式2)和矢量方式的折、反射定律(式5),即可以设计照度平均散布的自在曲面透镜。今朝最为罕用的自在曲面设计办法次要有两种:数值优化法(NumericalOptimizationMethod)以及间接法(DirectMethod)。数值优化法的设计起首需求寻觅一个初始构造,之后依据这个构造,抉择相应的参数进行优化。若初始构造抉择有误,则一切的致力将前功尽弃。应用该办法设计自在曲面透镜需消耗年夜量的工夫。间接法倒退于20世纪90年月,应用该办法能够疾速的求取自在曲面的面型。但该办法需求较深的数学功底。应用间接法进行自在曲面设计时,需求明白光学零碎的初始前提,即明白光源的光强散布函数和预期正在照明指标面上的照度散布。经过间接法设计的自在曲面,可将光源的光强散布与照明指标面的照度散布加以婚配。故经过编程应用间接法设计自在曲面可以使设计速率放慢,设计出的自在曲面配光用具仅需进行很少的修正就能使用于实际。


  应用间接法设计的自在曲面次要有旋转对称形配光以及非旋转对称形配光两类器件。如图3所示。旋转对称型配光器件次要采纳数学建模的办法,行使折、反射定律以及光学扩大量守恒原理建设常微分方程,之后采纳数值较量争论办法天生二维曲线函数,例如对于(x,z)标的目的的函数再通过绕轴(z轴)旋转360°而成。非旋转对称形器件的设计一样是建设数学模子并行使折反射定律,但它建设的是一个二阶拟线性的偏偏微分方程。该方程的详细方式可参看相应文献。图3设计了两种方式的配光器件,并正在图中给出了它们的照度散布。采纳该办法设计的自在曲面配光器件正在LED灯具设计中具备首要的使用前景。



  图3 自在曲面配光器件设计及其照度散布


  4 瞻望


  本文的一切钻研工作都是环抱若何对LED的光强进行二次再调配并将其使用于照明畛域而开展的。跟着LED光源光效的一直进步以及价钱的一直降落,LED光源曾经被愈来愈多的使用于照明的各个畛域。家喻户晓,LED要使用于照明畛域就不成防止的要处理好三个最次要的成绩:①若何处理它的配光成绩,使其的光散布达到指标照明面的要求;②若何处理好散热成绩,使其使用的时分没有会由于过热而伤害光源寿命;③若何处理好驱动电源成绩,使其统筹高效率以及高功率因数。这三个成绩正在LED照明灯具的设计中往往是既互相联络又互相制约。做好LED灯具配光器件,充沛施展功率型LED的劣势,关于减速中国半导体照明工业的倒退具备无足轻重的意思。


 


编纂:Cedar