扩展光源准直照明系统的光学设计及其照明 性能的研究

来源: 未知 作者:paper 发布时间: 2020-06-28 18:43
论文地区:中国 论文语言:中文 论文类型:工程硕士
在超远距离准直照明等特种照明领域中,大功率白光发光二极管(LightEmitting Diode, LED)光源有着极高的使用价值。但是由于该光源的发光面尺寸不可忽略,属 于扩展光源,因此在使用时势
摘要
在超远距离准直照明等特种照明领域中,大功率白光发光二极管(LightEmitting Diode, LED)光源有着极高的使用价值。但是由于该光源的发光面尺寸不可忽略,属 于扩展光源,因此在使用时势必会造成准直照明系统出射光束的发散,该发散特性将 会影响其照明距离与照明效果。针对上述问题,本文从理论推导、软件仿真与实验测 试三个方面对以下内容进行了研究。
(1)本文首先基于费马原理,推算出了准直平凸透镜的解析表达式,并设计出 了一套以自由曲面构建技术为基础的平凸准直透镜的面型设计算法。
(2)以成像光学相关理论为基础,推导出了在扩展光源准直照明系统中,出射 光束发散角的计算公式,研究了扩展光源准直照明系统的结构参数对出射光束发散特 性的影响。以出射光束发散特性理论为基础继续对准直照明系统进行深入研究,推导 出了扩展光源准直照明系统的极限照明距离和可照明半径的表达式。并分别分析了光 学系统的横向尺寸和纵向尺寸对极限照明距离和可照明半径的影响。
(3)在光学软件中对上述理论进行了仿真模拟,仿真结果与理论预期相符。在 此基础上,将所设计具有最优结构参数的透镜进行实体加工,与CREE公司生产的大 功率LED光源共同封装成探照灯进行实验测试,进一步证实了本文理论的正确性与 实用性。
(4)以本文理论为指导,设计了一款超远距离探照灯,该探照灯的横向尺寸为 75cm,电功率为149W,能够在2公里处实现半径为35.1m、照度为1.321x的圆形区 域照明,光束发散角度为1。,准直性极高,照度均匀性优良,各项指标符合设计要求。
本文的研究内容揭示了扩展光源准直照明中影响极限照明距离的关键因素。对于 超远距离探照灯、高速车辆照明灯、搜救灯、舞台追光灯的设计制造具有重大的理论 指导意义。
第一章绪论
现如今,照明己是人们日常工作、生活和生产中不可缺少的重要组成部分。传统的照明光源 以白炽灯为主,但是该产品耗能高、光效低且寿命短,在当下全球能源己被过度消耗、能源储量 十分紧张的大环境下,白炽灯逐渐被各个国家禁止生产,取而代之的是节能灯。虽然大面积推广 使用节能灯节约了大量的能源,但是由于废旧节能灯存在很多重金属,对环境的污染十分严重, 这又与我国提出的绿色环保的初衷相悖。发光二极管,作为一种可将电能转换为光能的新型固态 半导体二极管。有着体积小、寿命长、光效高、绿色环保等诸多优点,其各项指照明标都完美的 迎合了绿色照明的设计理念口切。现如今,LED照明光源在全球范围内迅速普及,成为了新时代 照明领域的领跑者®1
1.1课题研究背景
1.1.1 LED照明产业的国内外发展现状
在1993年,具有巨大商业价值的蓝光LED光源由美国加州大学的材料系教授中村修二发明 出来,之后便得到了广泛的应用⑸。直到1997年,白光LED问世。应用于照明领域的白光LED 是Kafmann等人在蓝光LED上涂上了淡黄色的荧光粉⑹。白光LED的问世对全球的照明领域产 生了巨大的影响,预示着照明领域即将更新换代。至此,在之后的短短几年间,白光LED光源的 应用在全世界迅速普及,一些科技发达的国家也为此迅速制定了 LED产业的发展战略。1998年, 日本出台了关于LED行业的发展计划,出台了《21世纪照明技术》,是全球较早推动LED产业 发展的国家之一;与此同时,美国的能源部也制定了 LED的发展计划。启动了名为“固态照明国 家项目”的长远战略计划,该计划至2025年,使LED产业的发展倍速前进,使之相对传统照明 技术,效率更高、寿命更长、成本更低。产品系统效率达到50%,光谱构成与阳光相似⑺;2000 年到2003年,欧共体通过设立“彩虹计划”来发展LED产业⑻。该计划主要为发展GaN基础设 备及其相关产业,至此LED产业在全球范围内得到了进一步的推广⑼。2000年,韩国也跟进发 展LED产业,启动了名为“GaN半导体开发计划”的发展战略他,八年期间,韩国政府企业共 投资11亿美元来研究GaN材料的白光LED。
中国台湾于2002年下半年,首次提出并实施了名为“次世纪照明光源开发计划”的LED产 业推动战略,迅速跟紧国际步伐,开始大力发展LED产业。次月,又启动了名为“高亮度白光 LED专案计划”的专项计划进一步推广LED产业的发展⑻。中国政府于次年6月培养了一个名 为“国家半导体照明工程项目”的科研小组。我国对节能环保提出了许多新政策,这为LED产 业在中国的发展起到了推动的作用。在珠江三角洲地区,从事该方面工作人数高达数十万。如今 随着我国综合国力的迅速增长,我国LED产业在世界上的进出口额己经排到了第一名。且随着 LED近些年的迅速普及,我国对LED产品的需求量也迅速增长远超其他国家。随着LED的不断 普及,截止2017年,我国的年节电量达到了 1983亿度电,相当于减少了 1.78亿吨CO2的排放 :11]o在国内LED的产业发展是以江苏、浙江、上海、福建和广东等地区为主要领跑者,在短短十 几年的时间里迅速崛起。尽管相比于一些发达国家,我国还有很大的进步空间,但是随着我国在 生产技术领域的不断创新,己在全球LED发展领域中占有重要的地位。
1.1.2大功率LED光源
LED这种新型光源能够得到全世界的认可并且各个国家肯花费大量的人力财力来发展LED 产业,原因是LED照明光源相比于传统的照明光源有着诸多符合时代发展的照明优势。如使用 寿命长、消耗能量低、输出光效高、绿色环保等诸多优点。
起初的LED光源发光功率很小,基本达不到0.1W,其工作电流一般仅为二三十毫安。即使 有着较高的光效,但是在这样的发光功率下,其应用范围也受到了限制,很多领域需要更高的照 明亮度。如今,随着LED产业不断扩大,大功率的LED光源问世并迅速发展。如今市面上大功 率LED光源的发光功率可达到十几瓦,其应用领域也在不断扩大。
如今大功率LED己经达到了非常高的发光效率,但是单芯片或者几个芯片的LED光源在很 多场所还是不能够满足其照明需求。因此,未来LED光源会朝着集成化的方向发展以满足各种 场合的照明需求。LED集成光源主要应用的是COB (Chip On Board)封装技术,即将LED芯片 按照一定的顺序排列在金属基板上,并且涂上适量的荧光粉。通过上述方法进行封装后的大功率 LED集成光源被称作COB光源,如图1・1所示。平时所说的集成光源、大面积光源基本就是指 COB光源。在现如今光学设计领域中,该光源形状方便进行二次光学设计,可以将其当做特定形 状的面光源来仿真建模。

发展至今,随着LED光源在照明领域中逐渐普及,一些场所对LED的要求也不断增加。LED 光源体积小、光效高,方便使用于各种照明场合。因此大功率LED光源在现如今的照明领域得到 了广泛的应用心。
1、 汽车照明。如今发达国家在大力推广车用LED灯,如仪表盘,前后车灯,操作开关等等。 尤其是应用于汽车前大灯,其市场规模逐年增大。LED作为汽车照明光源必然是未来汽车照明发 展的趋势。
2、 背光照明。LED光源在背光领域发展速度是最快的,而且应用范围十分广阔。如今的各 种电子设备例如手机、电脑、平板等等,其背光显示都在逐渐向LED背光光源替换。在最一开 始,背光照明主要采用的是冷阴极荧光灯(CCFL),随着产品色彩和外观的不断改变,为了符合 人们当下的照明需求,LED以其独特的优势取代CCFL成为了新一代的背光光源。发照至今, LED几乎全面覆盖如今现有的背光领域。
3、 普通照明。在室外,主要应用有大型的高杆灯,投光灯,标志灯等等;由于LED照明光 源的颜色可以任意调节,以便于满足室内各种场合人们各种不同的照明需求。
4、 特种照明。LED凭借诸多的优势可用来实现各种特种照明功能。特殊环境照明行业一般 为船舶、港口、油田、消防等各个重要的基础行业。即在特殊场合需要的特定照明效果,例如高 亮度液晶背光、舞台聚光灯、高杆灯、探照灯等等。根据特殊环境照明市场分析,我国的特殊环 境照明设备逐渐普及,其市场规模复合年增长率在在近几年不断增高。
除此之外,LED光源还应用于医疗、军用、交通、农业、航空等各个领域。如今,LED照明 己是人们生活的一部分,LED产业在全世界的发展也在不断地更新。在不久的将来必定会在更多 的应用领域得到应用。如图1・2所示\

第二章LED准直照明理论基础
理想光学系统与非成像光学系统的基础理论为本文的研究提供了重要的理论依据。本章首先 介绍了理想光学系统中的基点与基面,这些参量共同构建了理想光学系统的基本模型。之后介绍 了非成像光学系统的基础理论。接着对照明光学系统的设计流程进行了简述并给出了详细的流程 图。最后分别从解析计算和自由曲面构建技术两个角度提出了准直配光透镜面型的设计算法。
2.1理想光学系统的基点与基面
在成像光学领域中,可定义一种光学系统,光线通过该光学系统能够形成理想像即可忽略任 何损耗与误差,定义该系统为理想光学系统。理想光学系统可对任意空间内的点以任意以任意宽 的光束成完善像:50~51]o
如图2-1所示为理想光学系统的像方基本参数结构示意图。一条平行于光轴的光线AB射入 理想光学系统。该光线经过光学系统后,与光学系统的光轴交于F点处,我们将F点定义为理想 光学系统的像方焦点。过F点作一个平面,使该平面垂直于光轴,我们定义该平面为像方焦平面。 将入射光线AB水平延长至与出射光线歹F的反向延长线使之交于一点,定义该交点为0。过 0点做一个平面,该平面垂直于光学系统的光轴,与光轴的交点为/T点,即理想光学系统的像方 主点,并定义&/T平面为理想光学系统的像方主平面。
如图2・2所示,光轴上有一点F,若该点的共辘像点在沿光轴的无限远的距离处,我们将这 样的点定义为物方焦点。与像方光学系统类似,过该点垂直于光轴的面定义为光学系统的物方焦 平面。该平面与上述像方光学系统的像平面是共辘关系。从点尸出发,发射一入射光线,经过理 想光学系统后,与其平行光轴的出射光线的反向延长线相交到0点,过0点作垂直于光轴的平 面,该平面与光轴相交于点是理想光学系统的物方主点,平面为该光学系统物方主平面。
一对主点和一对焦点是光学系统的基点,一对主平面和一对焦平面是光学系统的基面,基点和基面是理想光学系统的研究基础与重要组成部分,为本文对准直照明光学系统的深入研究奠定 了重要的理论基础。
2.2非成像光学中的基本理论
与传统的成像光学有所不同,非成像光学系统发光点是光源而不是一个物体,产生的照明效 果是在一个接受器上的照度图案而不是观察一个物像的成像质量。在非成像光学领域中,光学系 统性能的评价标准不是根据成像质量、相差、色差等标准来衡量,而是观察光在接收器上产生的 照度图案,根据光束在指定照明区域的分布情况和光能的利用率判断一个光学系统的优劣。
在上世纪60年代由Hinterbgerer和nostn教授率先提出了非成像光学的概念。著名物理学教 授Winston于次年设计出了基于非成像光学理论的复合抛物型聚光器,简称CPC (Compound Parabolic Concentrator) [52"53] o CPC聚光器由两个反射面组成,其原理图由图2・3所示。大角度的 光线经过其反射面反射到CPC聚光器的出口处,起到了明显的聚光作用。由于CPC的主要功能 是将光线尽可能的汇聚在一个区域内,因此并不需要考虑成像质量问题。该设计方法为今后的非 成像光学的发展和二次光学设计奠定了坚实的基础。
第三章 扩展光源准直照明系统的出射光束发散特性
实际上理想点光源是不存在的,实际光源的发光面总是有一定的大小。因此在光束准直出射 时必定会存在一定的发散角,这将会限制一些特种照明灯具极限照明距离的拓展,且照明区域的 大小也会受到影响。本章基于成像光学相关理论推导出了扩展光源准直照明光学系统中出射光束 发散特性的理论表达式,并对表达式中各个影响因素分别进行实例设计与模拟仿真,最后选取最 优的透镜结构进行自由曲面透镜的实物加工,并与CREE公司生产的实际光源封装成探照灯进行 实验测试来对理论推导出的各个影响因素再次进行验证。通过理论推导、仿真与实验可得出结论, 在扩展光源准直照明光学系统中,其出射光线的发散角度与透镜的口径大小无关,与光源的发光 尺寸成正比,与光学元件的焦距成反比。本章的研究可为之后研究影响准直照明系统极限照明距 离的因素提供了重要的理论依据,也为特种照明领域中光学系统结构的设计提供了理论基础。
3.1出射光束发散特性的理论分析
在光源大小忽略不计的理想情况下,其理想点光源在透镜物方焦点位置发出的光束经过透镜 出射后的走向应与光轴严格平行。但是在现实中,理想点光源是不存在的,因此实际光源须以扩 展光源看待。当扩展光源置于配光透镜的物方焦平面上时,光源发光面上每一点出射的光线,都 会经过透镜准直成平行光束,但是其平行光束不在于光轴平行。如图3・1所示,发光面上的任意 点力、O、B发出的光束经过透镜出射后的平行光束方向各不相同。H和分别为该准直照明系 统的物、像方主平面。由于该光学系统的物空间与像空间的折射率一样都为1,因此透镜的主点 与节点可视为同一点。在图3・1中的子午面内,扩展光源发光面上下边缘点/、B发出指向物方 主点的光线与光轴的夹角%为扩展光源发出光线经过透镜出射后的光束发散角。

总结与展望
6. 1总结
LED作为新型的绿色光源,凭借其高光效、低耗能、寿命长、体积小等诸多优点在近些年来 逐渐受到人们的青睐。随着LED产业的不断发展,大功率LED在各个照明领域中逐渐普及。在 超远距离准直照明等特种照明领域中,大功率LED具有极大的优势和应用潜力。当光源为理想 点光源时,可实现真正意义上的准直照明。但是在现实中理想点光源并不存在,任何光源其发光 面都是有一定大小的,我们需将实际光源视为扩展光源进行研究。由扩展光源发出的光束通过准 直配光透镜必定会存在一定的光束发散角度从而影响准直光学系统的照明距离与照明光斑大小。 因此本文从扩展光源准直照明系统的出射光束发散角为切入点,深入的研究了影响扩展光源准直 照明系统的照明距离和可照明光斑大小的主要因素。具体的研究成果如下:
1、 结合成像光学与非成像光学相关理论分析推导出了平凸准直透镜的解析表达式,在该理 论模型的基础上推导出扩展光源准直照明系统的出射光束发散角度与发光面尺寸、配光透镜焦距 以及配光透镜口径之间的关系。通过设计实例并且在TracePro中建立光学系统进行光线追迹仿 真,通过仿真结果得出结论,在扩展光源准直照明系统中,出射光束发散角度的大小与光源发光 面的尺寸成正比,与准直配光透镜的焦距成反比,与准直配光透镜的口径大小无关,与理论推导 结论一致。根据上述结论设计三组实验再次进行验证。选购CREE公司生产的大功率LED光源, 将设计好的准直透镜选取光学级PMMA材料、采用计算机数控技术进行加工,将其封装成探照 灯进行实验测试,实测结果与仿真结果一致,证明了本文发散角理论的正确性。
2、 以出射光束发散角度理论为基础,推导出扩展光源准直照明系统的极限照明距离与该处 可照明半径的具体表达式。通过实例设计详细的分析了扩展光源准直照明系统的几何尺寸对极限 照明的影响。得出以下结论,对于光学系统的横向尺寸(配光透镜口径大小),配光透镜口径大小 应选取为该光学系统光源到透镜前表面的0.6倍到2倍的距离长度,光束收集角度为17°到45° 之间为最佳选择。对于光学系统的纵向尺寸,兼顾照明区域大小、光学系统大小、性能等因素。 通过复杂的理论分析找出了光源到透镜前表面距离6/的最优值。按照上述结论进行模拟仿真与实 验测试,仿真与实测结果均达到预期设计目标。
3、 以本文提出的出射光束发散角度与准直照明系统几的何尺寸理论为基础。设计出了一款 超远距离探照灯,并结合本文所推导出的结论对其超远距离探照灯的结构参数进行了优化,从而 合理的平衡了其极限照明距离和照明光斑的大小。该探照灯由19个单灯组成,每个LED单灯的 发光功率为7. 84W,整灯的额功率为149W,整灯口径为75cm。将上述光学元件建模导入TracePro 中进行光线追迹仿真,仿真结果为该整灯可在2公里处实现1.321X的照度,光束发散角度为1° , 与设计预期结果基本一致。
6.2展望
本人通过在硕士研究生阶段的学习,对LED的二次光学设计有着深入的理解与研究。本文 在以下两个方面还有很大提高和发展的空间。
1、 本文所推导的结论,在定义光束经过配光透镜时,其反射损耗按照光束垂直入射情况来定 义,吸收损耗由于选取吸收系数较小的PMMA材料可忽略,因此定义其光束透过率为0.92,在 模拟仿真与实验测试中必定会与理论结果存在一定的误差。实际情况中,各个参数的光学系统其 光束透过率的计算过程较为复杂,透镜反射损耗应与光束收集角度成反比,且吸收损耗会随着配 光透镜的厚度而不断增大。因此,若深入研究光束经过配光透镜的吸收反射损耗,可进一步优化 本文所推导出的结论。并且在实际的光学设计中,配光透镜的透镜厚度应由透镜口径和光源距透 镜前表面距离共同决定。若能找出其三者之间的数量关系,可大大减少光学设计所需时间,从而 提高设计优化效率。
2、 本文研究内容是以纯折射型的准直配光透镜来进行设计实验的,随着该领域不断发展,当 前折反射混合型的配光元件较为热门。由于大功率LED的配光特性,光束通过折反射型的配光透 镜也同样会存在光束发散等一系列问题。若在后续工作中对折反射型配光透镜在本文的基础上进 行深入研究,对于本文提出的理论的完善有着重要的意义。