胡志威，彭潤玲，秦 漢，林朋飛

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

與傳統(tǒng)光源相比，LED光源具有壽命長、能耗低、響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)，它是21世紀(jì)具有競爭力的新型固體光源，正逐漸取代傳統(tǒng)光源［1］。目前，商用單顆6W的LED芯片的光通量已達(dá)到300lm，這足以滿足很多場合的照明要求。但是，LED芯片的出光為朗伯分布，如果不經(jīng)過適當(dāng)?shù)呐涔馓幚矶苯討?yīng)用于照明將無法達(dá)到所需要的要求，而且會造成光污染和能量浪費(fèi)，因此，對LED照明系統(tǒng)進(jìn)行配光設(shè)計(jì)是十分必要的［2－4］。

目前，針對LED器件在目標(biāo)區(qū)域的強(qiáng)度均勻性優(yōu)化大都是采用自由曲面的反光杯或非球面構(gòu)成的透鏡的形式在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行建模分析，所采用的光源也多是由數(shù)學(xué)建模進(jìn)行模擬分析，由于LED的實(shí)際發(fā)光情況很復(fù)雜，單靠數(shù)學(xué)建模很難完美地模擬實(shí)際發(fā)光效果，所以這樣計(jì)算得到的最終分析結(jié)果可能會和實(shí)際結(jié)果大相徑庭。而且，由于受到機(jī)械加工的制約，很多計(jì)算出的復(fù)雜模型也難于轉(zhuǎn)為現(xiàn)實(shí)。在這種情況下，提出一種利用透鏡陣列的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)照明區(qū)域滿足均勻光強(qiáng)的設(shè)計(jì)方法。

國際上最常用的照明光學(xué)設(shè)計(jì)軟件有LightTools、Tracepro、Code V、Lucidshape、Zemax等，其中又以LightTools和Tracepro的照明模擬結(jié)果可信度最高。利用LightTools軟件對單顆LED器件進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的強(qiáng)度均勻性優(yōu)化，使目標(biāo)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了預(yù)期的照明效果。

1 設(shè)計(jì)方法

1.1 發(fā)光強(qiáng)度

光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度是該光源在給定方向的立體角元dω內(nèi)傳輸?shù)墓馔縟Φ與該立體角元之商，即

發(fā)光強(qiáng)度的單位為坎德拉（cd）。

1.2 建立反光杯模型

在LightTools軟件中，為了便于優(yōu)化設(shè)計(jì)，一般采用以貝塞爾曲線（Bézier curve）為母線旋轉(zhuǎn)構(gòu)成的反光杯，如圖1所示。

該反光杯共有五個變量，分別為權(quán)重（代表貝塞爾曲線趨近于三點(diǎn)構(gòu)成的折線的程度）、位置（代表圖1中的折線的折點(diǎn)水平位置）、大?。ù碚劬€的折點(diǎn)的垂直位置）、前面大小、后面大小。這五個值的改變可以改變單元格中母線的線型，相應(yīng)地改變了反光杯的面型。對于一個反光杯來說，改變面型就意味著會改變光源光線的反射方向，從而改變了光源能量在整個空間的分布，其中反光杯的面型對光能量的空間分布尤為重要。對于一個理想點(diǎn)光源來說，將其置于一個拋物面反光杯的交點(diǎn)處，則所有經(jīng)過反射的光能量將都平行于拋物面軸線出射。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，所用到的光源的發(fā)光情況都是很復(fù)雜的，單純對光源進(jìn)行數(shù)學(xué)建模無法完美模擬出光源的實(shí)際發(fā)光情況，現(xiàn)可以利用LightTools軟件，直接導(dǎo)入光源的近場測試數(shù)據(jù)，來完美模擬光源的實(shí)際發(fā)光情況。同時，還可以根據(jù)模擬的精度要求來選擇近場測試的光線數(shù)量，其靈活性很好。

建立反光杯模型后，修改其反光面的光學(xué)屬性為鏡面反射。

1.3 添加光源

打開LightTools的LED工具庫，該庫包含Lumileds、Cree、Osram等國內(nèi)外常用的LED器件，可直接從庫中調(diào)用LED光源，并且可對生成的LED光源進(jìn)行編輯?，F(xiàn)選擇Lumileds XPWT－ML00型號LED光源，如圖2所示。

圖1 以貝塞爾曲線為母線所做的反光杯模型Fig.1 Reflective cup model with Bezier curve as bus

圖2 Lumileds XPWT－ML00型號LED光源模型Fig.2 Lumileds XPWT－ML00types of LED light source model

單擊圖2中“Creat LED”按鈕可在原點(diǎn)位置生成一個相應(yīng)型號的光源。首先，添加一個以原點(diǎn)為球心的球形遠(yuǎn)場接收器（far field receiver）。如圖1所示，添加貝塞爾曲線的權(quán)重、位置、大小、后面大小為優(yōu)化變量（在相應(yīng)的文本框內(nèi)單擊右鍵，選擇添加優(yōu)化變量，并變?yōu)榧t色字體）。

1.4 進(jìn)行準(zhǔn)直優(yōu)化

選擇菜單欄中的優(yōu)化菜單，添加相應(yīng)的評價函數(shù)（merit function），現(xiàn)選擇添加準(zhǔn)直優(yōu)化函數(shù)。優(yōu)化成功后，可以得到一個很好的平行出光效果，如圖3所示，光能量基本都以垂直于出光口的方向出射（圖中橫線上的刻度0.081 98、0.163 96、0.245 94、0.327 93、0.409 91代表的是相應(yīng)的絕對光強(qiáng)度值）。

圖3 準(zhǔn)直優(yōu)化后的配光曲線Fig.3 The collimator optimized light distribution curve

1.5 添加透鏡陣列

首先，在反光杯出光口前添加一個超薄長方體，再在長方體上添加3D紋理。該3D紋理可以快速在所添加的超薄長方體的表面上提供陣列式區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)以陣列的形式排布著同樣光學(xué)屬性和形狀的微結(jié)構(gòu)，這樣就可以快速在反光杯出光口添加一個透鏡陣列，大大節(jié)省了照明設(shè)計(jì)的時間，縮短了設(shè)計(jì)周期。

圖4 從庫元件中添加枕型透鏡Fig.4 Adding pillow type lens elements from the library

在3D紋理構(gòu)成的陣列［5－6］區(qū)域內(nèi)添加自己設(shè)計(jì)的庫元件，從庫元件（圖4中方框區(qū)域所示）中添加一個枕型透鏡元件，把單個枕型透鏡元件添加到3D紋理（Texture）陣列中［如圖5（b）所示］，再把該透鏡陣列放在反光杯出口處的一定位置，就構(gòu)成了一個完整的配光系統(tǒng)［如圖5（a）所示］。

圖5 配光系統(tǒng)Fig.5 Light distribution system

該枕型透鏡左表面的面型定義為xy多項(xiàng)式，即

如圖6所示，x2、y2的曲率系數(shù)分別為－0.2、0.1，添加這兩個曲率系數(shù)為優(yōu)化變量，隨著這兩個值的變化，透鏡單元的面型也改變，相應(yīng)的透鏡陣列對光能量分配的影響隨之改變。

圖6 枕型維透鏡面型參數(shù)Fig.6 Pillow type micro lens face type parameters

1.6 添加遠(yuǎn)場接收器

首先添加遠(yuǎn)場接收器，打開屬性更改其強(qiáng)度網(wǎng)格（intensity mesh）的角度范圍，使其接受光能量的角度范圍如圖7所示。此時，進(jìn)行初始模擬，可以得到一個光強(qiáng)分布。然后，在遠(yuǎn)場接收器的強(qiáng)度網(wǎng)格上添加評價函數(shù)，根據(jù)該評價函數(shù)的強(qiáng)度歸一化評價設(shè)置，經(jīng)過優(yōu)化后可以得到可行的透鏡陣列參數(shù)。

圖7 遠(yuǎn)場接收器的強(qiáng)度網(wǎng)格Fig.7 The intensity mesh of the far field receiver

2 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化前透鏡元件的參數(shù)和優(yōu)化后透鏡元件的參數(shù)是有所變化的，x2、y2優(yōu)化前的數(shù)值分別是－0.2、0.1，而優(yōu)化后的數(shù)值分別是－0.237 12、0.140 46［如圖8（b）方框所示］。

圖8 優(yōu)化前后微透鏡的參數(shù)對比Fig.8 Before and after optimization of the parameters contrast of the microlens

在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，未經(jīng)優(yōu)化的發(fā)光強(qiáng)度結(jié)果和優(yōu)化后的發(fā)光強(qiáng)度結(jié)果有十分明顯的差異［7］，優(yōu)化前該區(qū)域發(fā)光強(qiáng)度值明顯有差別，由顏色（不同顏色對應(yīng)不同的發(fā)光強(qiáng)度值）差別可區(qū)分；而優(yōu)化后該區(qū)域發(fā)光強(qiáng)度十分均勻，顏色幾乎同一（如圖9所示）。

由圖9可知，經(jīng)過對透鏡陣列的優(yōu)化，可以使水平－22.5°～22.5°、垂直－12.5°～12.5°的范圍內(nèi)的發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到基本均勻。以上各圖出自于LightTools仿真模擬過程及結(jié)果中的截圖。

圖9 優(yōu)化前后發(fā)光強(qiáng)度的均勻性對比Fig.9 Before and after optimization of the uniformity contrast of the luminous intensity

3 結(jié) 論

應(yīng)用LightTools軟件模擬單顆LED在目標(biāo)照射面的一定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻照明，并提出了一種新的LED發(fā)光強(qiáng)度在目標(biāo)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)均勻照明的方法。該設(shè)計(jì)方法首先建立反光杯模型，在反光杯模型的底部添加單顆LED光源；然后對反光杯的出光進(jìn)行準(zhǔn)直優(yōu)化，使其出光盡量達(dá)到準(zhǔn)直；接著在反光杯出光口前添加透鏡陣列，并設(shè)置單個透鏡元件的面型參數(shù)，透鏡單元的面型為XY多項(xiàng)式曲面，分別添加XY多項(xiàng)式中X 和Y的平方系數(shù)為優(yōu)化變量；最后添加均勻光強(qiáng)的評價函數(shù)，再進(jìn)行優(yōu)化，最終得到水平－22.5°～22.5°、垂直－12.5°～12.5°的范圍內(nèi)的發(fā)光強(qiáng)度基本均勻。經(jīng)過讀取優(yōu)化后遠(yuǎn)場強(qiáng)度網(wǎng)格的網(wǎng)格權(quán)重?cái)?shù)據(jù)后，可以計(jì)算得出，經(jīng)過優(yōu)化后的目標(biāo)范圍內(nèi)的發(fā)光強(qiáng)度的均勻度可達(dá)90%以上。相對比與目前LED配光設(shè)計(jì)方案來說，該方法有明顯的優(yōu)越性。通過這樣的對比介紹，對于LightTools軟件了解更深，使用也會更好。

［1］羅 毅，張賢鵬，王 霖，等.半導(dǎo)體照明中的非成像光學(xué)及其應(yīng)用［J］.中國激光，2008，35（7）：963－971.

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