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摘 要 "#0P*3-c .i_ gE5 LED的应用范围日趋广泛,其相应的二镒光学设计也越来越显出重要性。本文介绍了一种光学设计的思路和方法。 7|dm"%@ 4mp)v*z 一、引言 (ESFR0 _'V o3b LED(Light Emitting Diode)从二十世纪六十年代问世以来,已有30多年的发展历史。随着近几看半导体芯片技术的不断改进及封装技术的迅速提高,其光效从最初不到1lm/W,发展至今红色、橙色为100lm/W和绿色50lm/W,已大大超过了传统的白炽灯。同时,LED具有体积小、重量轻、耗能少、寿命长、响应时间短及抗震性能好等优点。因此,LED的应用已不仅仅限于信号指示光源,而已逐步从室内走向诸如交通信号灯、车灯、户外屏等室外应用领域。 1#"wfiW )q4nyT>M 二、信号灯基本光学系统 bL0]Yuh ]P7gEBi 以信号灯为例。传统的交通信号灯采用白炽灯作为光源,其灯具基本光学构成可视为:光源、反射器及用于形成光分布的透镜组成(如图1所示)。由于白炽灯的光辐射几乎占据整个空间,因此需要用反射器将其它方向上的光收集起来,投向要求的区域。通常采用的是抛物面反射器,形成近似于平行的光束,然后用有色还透镜的外罩对光束进行偏折、扩散,产生期望的光分布和颜色。 `aX+Gz? }lPWA/ a}VR>!b 8,+T[S 图1 白炽灯交通信号灯结构示例 hF^JSCDz l RDQ]_wsyKG 一般,单颗LED发出的光能量较小,一个交通信号灯往往需要几十至几百颗LED。随着LED技术的发展,单颗LED流明数的提高,一个灯具内使用的LED数目会明显减少。例如目前飞利浦的一款交通信号灯仅用了十颗左右LED,此类灯具的光学结构与本文所讨论的有所不同。目前广泛使用的LED交通信号灯,通常用100-300颗LED,基本均匀分布于整个发光面上,每颗LED对应一个或一组透镜单元。 kn3GgdU x7l}u`N4 由于某些LED发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内,反射器就不再是必要的光学组件,而往往用透镜作为准直光学组件。例如,用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束。然后,用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折产生满足标准要示诉光分布(如图2所示)。 tQ'R(H` 3kGg;z6 h \`( .uX(-8n ~ 图2 LED交通信号灯结构示例 L&NpC&>wD Ux" ^3D 三、设计思想 u}R|q gV ':Xe 1.光通量的估算 k"BM1-f y<`:I|y 无论是欧洲的ECE、美国的ITE还是我国的国家标准,对于信号灯光分布的要求大多体现为H-V系统内的光强分布(如图3所示)。因此,可以根据下式计算出达到标准要求的最小光通量: G;t<dJ8 *CF80DJ :|I"Em3R 其中Φi--第i个立体角区域内的光通量 :nnch?J_ =r`E%P: Ii--第i个立体角区域内要求的(平均)光强 q(s0dkrj si]MQ\i+ Hi+1/2,H i-1/2,Vi+1/2 ,Vi-1/2 --第i个立体角区域的水平角和垂直角的边界 {ByKTx& 'X&"(M 此计算所得的光能量是一个理想值,实际要满足标准要求的光分布,还需考虑透镜的透过率、溢出光损失等因素。因此,需要对Φ进行修正,得到的才是实际要求光能量的估量值。 ~]W @+\l E'8XXV^I?P z:dW 'U?1 }Sh@.3* 图3 LED交通信号灯国家标准(送审稿)光分布要求 1,Pg^Xu 5 8U[IGs( LED的光强分布通常是旋转对称的,因此,可以根据生产厂家给出的光分布(如图4所示),由下式估算单颗LED所发出的光能量:(3) eK3d_bF+ 7X$pgNRx/a $V<fJpA 其中Ij--第j个环带区域内平均光强 +W[{UC4b 8rU| Oh θj-1/2 ,θ j-1/2(2)--第j个环带区域的边界 ,FRa6; UAI'tRYN_ 同样,在这里计处算得到也是一个理想值,需考虑温度影响、光通有效利用率等因素进行修正。 4.kn,s 4 l+z 利用两个修正后的光能量可以估算出要用的LED的数目。 !]7L9TGn 7Fa1utVI 0H'G./8 fx^yC.$2 图4 LED光强分布示例 pF~aR]Q &;vMJ 2.透镜单元 YO@~y*, +y-3tcI) 为了能实现对光通量更有效的利用,我们先用准直系统,将LED发出的光校正为平行光。通常采用凸面的曲率半径:(4) ESS1 L$y /W}"/W9 1/r1-1/r2=1/f*(nl-1) =t}m 9I1`* 0A 其中f-透镜焦距 BH$hd|KD< U?:?NC=1{ r1,r2-分别为透镜两表面的曲率半径。当该表面为平面时,曲率半径为无穷大 !Xq5r8] raP9rEs nL-透镜材料的折射率 mI^S% HT { ux'9SA 但是,正如图5所示,对于同样尺寸、同样焦距的凸透镜和菲涅耳透镜而言,其厚度相差可以很大。并且随着透镜尺寸增加,其厚度差距也随之增加。透镜越厚,意味着光在经过透镜过程中损失越多。并且,计算中用薄透镜近似而引入的误差也越大。 `RE K,^U >v/%R~BuX KC<K*UHPAH $ O;a~/T 图5 菲涅耳透镜与凸透镜厚度比较 `[_p,,}Ir =| r% lx 菲涅耳透镜(如图6所示)其实是一种“大孔径”的消球差透镜,其光学作用和普通凸透镜相当,但比凸透镜薄、重量轻。虽然,设计时,菲涅耳透镜环数越多,有助于减小球差和透镜厚度,使光斑更均匀。设计时,环带环数的选择至关重要。 lj*=bK WZbRR.TxO b^P\Kky @_#]7 图6 菲涅耳透镜的形成 4 `}6W>*R &D7Mv5i0@ 之后,需要用透镜将平行光束扩散处理,来满足标准的要求。我们将灯具外罩分割成矩形小单元,用来打碎光波的波面,有利于产生均匀的外观效果。在每个小单元中,我们用柱面透镜使光束水平扩散,在确定单元宽度及要求的扩散角度之后,柱面的曲率半径为: 7u%OYt D E ^w jM u5f r=(b*n2-2ncosoδ+1)/2sinδ ...................(4) }hc+ENh (.$e@k= 其中r--柱面透镜的曲率半径 cm>+f ^4?n BL\H@D b--单元宽度 1HRcEzA Gx%f&H~Z^ n--透镜材料折射率 mP +H C)2 kxY9[#:<fB δ--期望的半扩散角度(如图7所示) `P*PCiZos Ige*tOv2 SXV f&8 5lE9UoG[Q 图7 柱面透镜示意图 zwlz zqV (%]M a 在确定扩散角度时,应考虑平行光束可能会有一不定期h的发散角度α,因此,若我们要求灯具总扩散角度为50°,则应该取2δ=50°-α。否则可能会导致扩散角度过大。 [5P1 pkZ +'9xTd 根据标准,在垂直方向上也有一梯度的光强分布要求,且基本是在水平面之下。我们考虑用楔形透镜将光向下偏,并借助于模拟软件,使光通量在垂直方向上合理分布。单元透镜的结构如图8所示。 <ZoMKUuB +L=a\8Ep n1y*`5! -D_xA10 图8 透镜单元示例 uX&Tn1Kg 或者,也可采用如椭球面或轮胎面等具有水平和垂直两个方向的弧度,从而可以在两个方向上用不同的曲率半径达到不同的扩散效果。由于交通信号灯的标准一般要求光分布于水平之下,因此,在垂直方向上只需用上半段圆弧,产生向下扩散的效果(如图9所示)。 pm*i!3g' :rN5HOg^9 7}Jn`^! Vf$q3X 图9 有双向曲率透镜的示意图 &WVRh=R tHH @[E+h 四、计论 4m_CPe @p9YHLxLjQ 我们的设计方案采用了两层透镜,虽然能对光通量分布有良好控制,但是两层透镜的透过率损失始终较大。另外,要获得较理想的平行光,焦点的对准很重要,但LED自射带有的装透镜,使实际发光不在晶片所在位置。因此,要得到理想的设计效果,发光点位置的确定很重要。 o{MmW~/o& fjy2\J! 其次,对于发光角度较大的LED,若用菲涅耳透镜作为准直系统的话,建议在边缘部位采用内部全反射(TIR)结构。因为,对于菲涅耳透镜,越靠近边缘,光线入射至透镜的角度越大,反射损失成分也越大,若采用TIR结构(如图10所示),可使入射角度接近00,大大减少了透镜边缘光的反射损失,有利于使透镜呈现均匀照亮的外观。 `n%8y I% ztaSIMZ aN"dk-eK EvDg{M} 图10 带有TIR结构的透镜示意 +?C7(-U> 2D{`AJ 五、结论 2,'%G\QT ^cI RP LED作为一种新型的光源,其潜在的应用价值正受到人们越来越多的关注,因此LED的二次光学系统设计也日益受到人们的重视。本文介绍的工作是在这一领域里的尝试。我们将进一步开展这方面的研究开发工作,设计出更为高效的光学系统。
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