基于非成像光学的LED高收光率的抛物反射器研究

基于非成像光学的LED高收光率的抛物反射器研究

第37卷　第3期中　国　激　光

Vol.37,No.3　　文章编号:025827025(2010)0320680205

基于非成像光学的LED高收光率的抛物反射器研究

金　骥　余桂英　林　敏

(中国计量学院计量与测试工程学院,杭州摘要　根据非成像光学理论,EDLED绕垂直于光线传播方向轴旋转角度对能量收集率的影响,LED旋转角度的解析表达式。分析结果表明,抛物反射器的能量收集率是合理的;通过旋转

LED光源,,其最佳的旋转角度也不同。仿真模拟结果与理

关键词　;;光学扩展量;发光二极管;抛物反射器

中图分类号65+1　　　文献标识码　A　　　doi:10.3788/CJL20103703.0680

ResearchofHighLightCollectionEfficiencyofLEDParabolicReflector

BasedonNon2ImagingOptics

JinJi　YuGuiying　LinMin

(CollegeofMetrologyandMeasurementEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou,Zhejiang310018,China)

Abstract　Basedonthetheoryofnon2imagingoptics,thegeometricparametersoflight2emittingdiode(LED)parabolicreflectorandtheimpactofrotationangleofLEDaroundtheaxiswhichisperpendiculartopropagationdirectionontheefficiencyoflightcollectionareanalysedinenergytransferaspect,andeventuallyunifiedclosedrelationshipsbetweenefficiencyoflightcollectionofaparabolicreflectorwiththegeometricparametersandtherotationangleareestablished.TheresultsshowthatusingétenduetoevaluatetheefficiencyofenergycollectionofLEDparabolicreflectorisreasonable,androtatingtheLEDcanfurtherimprovetheefficiency,andforeachdifferentsetsofgeometricparameters,thebestrotationangleisdifferent.Thesimulationresultsareaccordingwiththetheoreticalanalysis.

Keywords　non2imagingoptics;highlightcollection;étendue;light2emittingdiode;parabolicreflector

1　引　　言

节能、环保是未来社会工业发展的主流,发光二

极管(LED)照明在节能、环保方面极具发展潜力。LED光源属“一次光源”,其耗电量只是同等亮度白炽灯的十分之一,同时还将减少二氧化碳的排放量和荧光灯的汞污染。此外,LED照明还具有无频闪、无红外和紫外辐射、光色度纯等优点,是当之无愧的绿色光源。因此LED光源已逐步替代其他光源成为备受瞩目的下一代照明光源[1～4]。LED发

收稿日期:2009204216;收到修改稿日期:2009207206

光管外的二次光学设计主要是根据不同的实际应用

需求使LED出光后的空间光强分布发生改变,即光能量的分布发生变化,从而更有效、更合理地利用有限的光能量[5～8]。光能的收集与分配是LED应用需要解决的两大问题,高的光能利用率是LED真正实现绿色照明的关键。

非成像光学理论起源于20世纪60年代中期,70年代中期以后,Welford等[9,10]提出非成像光学概念。在非成像光学中,成像光学中的像差理论和成像

基金项目:浙江省自然科学基金(Y104436)和浙江省科技计划(2008C21158)资助课题。

),男,硕士研究生,主要从事LED照明设计方面的研究。E2mail:jinji1005@作者简介:金　骥(1983—),女,硕士,副教授,主要从事照明和测量等方面的研究。导师简介:余桂英(1965—

E2mail:yuguiying11@(通信联系人)

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质量不再适用于评判系统性能的优劣,光能利用率成为系统的评价标准,如何提高光能利用率也是LED

照明系统的关键问题。非成像光学理论在LED照明设计方面的研究还处于起步阶段[11～15],有许多问题值得进一步深入研究。

本文根据非成像中的光学扩展量理论,定量地研究了LED抛物反射器的几何收光率与抛物反射器几何尺寸和LED旋转角度之间的关系,建立了朗伯型LED光源经过抛物反射器后的能量利用率与反射器的收光角及LED式,1ED光源辐射模型图

angleandLEDradiationmodel

2　2.1　光学扩展量是非成像光学理论中一个重要的概念,描述光束所通过的面积和光束所占有的立体角的积分,用于权衡所要求的面积和立体角,确定系统的能量收集率,从而确定结构参数。光学扩展量的定义[16]为

E=n

2

图2LED光源被反射部分对应的立体角求解示意图

Fig.2Solveschematicofsolidangleofreflected

partofLED

式中n为折射率,θ是微元面积dA的法线与微元立体角dΩ的中心轴的夹角。

反射器的几何收光率ξ定义为投射到反射器部分的光源扩展量与光源的总扩展量之比。一般地,几何收光率ξ越大,反射器的光能利用率也越高。

假设LED光源的发光半角为θ,发光面积为dAs,并近似看作点光源。由(1)式可知,对朗伯型的LED,其发光半角为90°,其光源的扩展量为

π2

π/2

s

κcosθdAdΩ,

(1)

ξ=Ep/E0,由(2),(3)式可得

ξ=ε-/π.(4)

2

图3为几何收光率ξ与收光角ε的关系曲线,由图可以看出,收光角越大,几何收光率越大。设抛物线方程为y2=4fx,其中f为抛物反射杯的焦距。对于抛物线端点P,有

(5)tanε=

.

4f2-y2

E0=

φcosθd

κcosθdAdΩ=dA∫∫sinθdθ=πdA.

s

00

(2)

图1所示抛物反射器是由抛物线绕其主轴旋转而成的,采用半杯抛物面,朗伯型LED光源水平朝下置于焦点处,反射器对于LED光源的收集角度为θ到180°,设ε=π-θ为反射器对光源的收光角。图2为反射器扩展量的求解示意图,由图计算得到

π

θ2-arccoscosβ

图3几何收光率ξ与收光角ε的关系曲线

Fig.3Relativecurveofgeometriccollectionrateξand

collectionangleε

Ep=dAs

∫∫

arccos

cosβ

αβ+sinβcosβdd

ππ/22

dAs

αβ.sinβcosβdd

∫∫

θ0

(3)

反射器的几何收光率ξ与口径y的关系如图4

所示,显然几何收光率ξ为口径y的单调递增函数;对一定的口径,抛物反射杯的焦距f越小,几何收光率ξ越高。

式中β为∠AOB,

定义反射器的几何收光率为

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式中βHOG,βAOF。由(8)式可知,反射1为∠2∠

器的光能利用率不仅与反射器的收光角ε有关,还与光源相对反射器的角度γ有关。当γ=0时由(8)式可得

η|γ=0=π-θ.(9)

π2

比较()式和,,对。图6为γ(γ=0,10°,20°,

η与收光角ε的关系曲线。由,对一定的反射器通过旋转光源可以提高光能利用率;对不同的收光角ε,反射镜获得最大的能量利用率时的LED光源旋转角度不同。

图4几何收光率ξ与口径y的关系

Fig.4Relativecurveofgeometricξ

andy

2.2　LED。设朗伯型LED光源发光面法线方向光强最大为I0,则其总光通量

Φ(6)0=πI0.

图5为抛物反射镜的收光角仍为ε,LED光源

)发光面法线相对垂轴的旋转角为γ(即∠BOA=γ

时光被反射杯反射的立体角求解示意图,可以看到上部和右侧都有一部分光遗漏

。

图6当光源发光面与反射器轴线的夹角γ不同时光能

利用率η与收光角ε的关系

Fig.6Relationbetweenlightenergyutilizationηandcollectionangleεwithdifferent

rotationangleγ

图7所示为不同利用率时,旋转角γ与利用率η的关系。由图可见随着利用率的增加,通增量Δ

过旋转角度而提高利用率的增幅逐渐减小,同时,需要旋转的角度也不断减小。

图5LED光源相对垂轴旋转γ后被反射杯反射的

立体角求解示意图

Fig.5Solveschematicofsolidangleofreflectedpart

ofLEDthatrotatesγrelativeverticalaxis

由抛物镜出射的光通量为

γ

Φ=I0π-θ-γ

∫

arccos

ββsin21d1-tan∫

arccos

ββ+sin27)2d2(,

cosβcot2cosγ

η的关系图7利用率不同时旋转角γ与利用率增量Δ

ηwithFig.7RelationbetweenγandΔ

differentutilizations

则反射器的光能利用率η为

η=1-ββsin21d1-π0tanγ

θ-γ

π

∫

arccos

ββ+sin22d2.(8)

cosβcot2cosγ

3　模拟仿真与分析

由第2节分析可知,根据选定的光能利用率,可以

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确定反射杯的收光角,结合反射器口径要求,求得反射器焦距,从而确定抛物反射器的外形尺寸。如选择光

能的利用率为0.6,根据(9)式可以得到此时的收光角为99.08°,假设抛物反射器口径要求在50mm以内,于是f<10.66。取f=10mm,则y=23.45mm。由图7可见,利用率为0.6时,其利用率增量最大值为0.289,此时的旋转角度为39.1°。设反射器的反射率为1,LED光源的发光面直径为2.5mm,光通量为100lm。将观测屏放置在1m处,大小为200mm×200mm。利用TracePro软件仿真模拟结果,如图8到落在观测屏上的光通量为59.59.476%,型的累积误差。

图10显示了旋转不同角度γ时在软件中实际模拟的能量利用率增量的变化趋势,可以看到测试屏幕上增量的最大值是旋转角度为39°,与理论分析的结果一致

。

,部分反射图8光斑低于水平线是因为LED并非点光源,线经过反射器反射在水平线下方形成光斑。将LED旋转39.1°后的仿真模拟结果如图9所示。在测试屏上的光通量为75.417lm,能量利用率提高了26.8%,

比理论值小是由于传输损耗和模

η的仿真结果图10旋转角度γ与能量利用率增量Δ

Fig.10Simulationresultofrotationangleγand

ηincrementalofutilizationΔ

4　结　　论

围绕着光能利用率,采用非成像光学理论,分析

了影响抛物反射器能量利用率的几何参数,建立了统一的抛物反射器的光能利用率与几何参数和LED旋转角度的解析表达式。理论分析与仿真结

图8光源水平放置时(γ=0)的仿真模拟结果

Fig.8Simulationresultwhenrotationangleγ=

果表明,利用光学扩展量来评价LED抛物反射器的能量收集率是合理的;对一定光学扩展量的抛物反射器,通过旋转LED光源,可以进一步提高光能利用率;抛物反射器的收光角不同,即几何参数不同,其最佳的旋转角度也不同。将非成像光学应用到LED照明系统的设计,不但丰富了非成像光学理论,也为LED照明系统的设计提供了新的理论方法。

参

考文

献

图9旋转角γ=39.1°时的仿真模拟结果

Fig.9Simulationresultwhenrotationangleγ=39.1°

1F.M.Steranka,J.Bhat,D.Collinsetal..HighpowerLEDs2

technologystatusandmarketapplications[J].PhysicalStatusSolid(A)AppliedResearch,2002,194(2):380～388

2DanielA.Steigerwald,JeromeC.Bhat,DaveCollinsetal..Illuminationwithsolidstatelightingtechnology[J].IEEEJ.Sel.Top.Quantum.Electron.,2002,8(2):310～320

3ReginaMueller2Mach,GerdO.Mueller.Whitelightemittingdiodesforillumination[C].SPIE,2000,3938:30～41

4KarstenEichhorn.LEDsinautomotivelighting[C].SPIE,2006,6134:613405

5TuDawei,WuRengmao,YangHengliangetal..EffectofopticalstructureonoutlightintensitydistributioninLEDpackage[J].Opt.PrecisionEng.,2008,16(5):832～838

　屠大维,吴仍茂,杨恒亮等.NBA封装光学结构对光强分布的影响[J].光学精密工程,2008,16(5):832～838

6LuShenglin,ZhangXianmin.Analysisandoptimaldesignofilluminatorforleadfesstinsolderjointinspection[J].Opt.

基于非成像光学的LED高收光率的抛物反射器研究

684

PrecisionEng.,2008,16(8):1377～1383

　卢盛林,张宪民.无铅焊点检测光源的分析与优化设计[J].光

学精密工程,2008,16(8):1377～1383

7XuWenhai,ZhaoHuan,LuYongjun.DesignofanopticalsystemforUVcuringsourcewithLEDarray[J].Opt.PrecisionEng.,2007,15(7):1032～1037　许文海,赵　欢,芦永军.LED阵列式紫外固化光源光学系统设计[J].光学精密工程,2007,15(7):1032～1037

8DingYi,GuPeifu.Freeformreflectorforuniformillumination[J].ActaOpticaSinica,2007,27(3):540～544　丁　毅,顾培夫.实现均匀照明的自由曲面反射器[J].光学学报,2007,27(3):540～544

9W.T.Welford,R.Winston.HighCollectionNonimagingOptics[M].NewYork:AcademicPress,1989

10L.M.Bassett,W.T.Welford,R.opticsforfluxconcentration[C].inOpticsWolfetc,1989,27:161～226

11YangYi,QianLYLilluminancesystembasedTechnique,2007,33(1):110～115

　杨　毅,钱可元,罗　毅.一种新型的基于非成像光学的LED均匀照明系统[J].光学技术,2007,33(1):110～115

12LuoYi,ZhangXianpeng,WangLinetal..Non2imagingoptics

anditsapplicationinsolidstatelighting[J]sers,2008,35(7):963～971　罗　毅,张贤鹏,王　霖等.半导体照明中的非成像光学及其应用[J].中国激光,2008,35(7):963971

13F.R.Fournier,J.P.Rolland.offreeformnon2imagingcomponentsforLEDlightengines[C].inin,(CD)(Optical,)14,EtendueconcernsforautomotiveLEDs[C].SPIE,2004,5187:234～242,FangZhiliang,CuiJichengetal..Studyontheengineofthemini2projector[J].ActaOpticaSinica,2007,27(5):913～918　赵　星,方志良,崔继承等.微型投影机光学引擎的研究[J].光学学报,2007,27(5):913～918

16R.Winston,J.C.Minano,P.Benitez.NonimagingOptics[M].NewYork:Elsevier2AcademicPress,

2005

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/xok1.html