基于提高LED陣列遠場(chǎng)照度的設計

由遠場(chǎng)光強剖切圖可以看出，光強存在凹陷，說(shuō)明光源位于焦平面處不太合理，需進(jìn)行離焦分析.在離焦分析之前，由于光源的前后移動(dòng)可能會(huì )與反光杯尾部發(fā)生接觸，并考慮到散熱及燈具美觀(guān)，將反光杯的底部進(jìn)行切割處理，以便放置散熱器.分別在焦平面前后方5mm及焦平面處3個(gè)位置處進(jìn)行切割，由于切割之后，光源的離焦移動(dòng)可能會(huì )損失部分光能，因此，在切割之后的反光杯底部加圓柱形蒙皮，將蒙皮長(cháng)度確定為20mm,內壁反射率同樣設為85%.在不同切割距離處，通過(guò)光源離焦分析，得到40m處照度.效率及半光強角的關(guān)系如圖7所示.

經(jīng)過(guò)數據對比，在不同位置切除反光杯底端后，配光效果差異很小.要滿(mǎn)足半光強角A在15度左右，且照度滿(mǎn)足要求，最后確定在焦平面右側5mm處切割，且通過(guò)離焦分析，發(fā)現光源陣列在z=27mm時(shí)，即在焦平面右側7mm處達到最佳，半光強角最小，最聚光，為11.7度，此時(shí)最大照度為16.7llx,此時(shí)強度剖切圖(如圖8(a)所示)和照度圖(如圖8(c)所示)以及最終設計的反光杯三維模型如圖8(b)所示.

由分析可知，光源離焦對配光效果影響很大，因此，在反光杯實(shí)際加工時(shí)，需在其內部設計微調裝置來(lái)確定最佳位置.

5透鏡的光學(xué)設計

5.1透鏡的形狀確定

用于LED照明的光學(xué)準直器主要有兩種，透鏡和反光杯.LED光源發(fā)出的初始光在經(jīng)過(guò)反光杯全反射準直之后，都會(huì )以同一準直方向出射，從以上分析可以看出，LED陣列在加了反光杯之后，照度大小仍然不能達到最佳，因此，需要在反光杯內增加透鏡來(lái)達到要求.透鏡材料選擇PMMA,俗稱(chēng)有機玻璃，是迄今為止合成透明材料中質(zhì)地最優(yōu)異，價(jià)格又比較適宜的品種，折射率約為1.4.

通過(guò)幾何光學(xué)分析，得出加透鏡有兩種方法，第一種，在出光口處加透鏡;第二種，為了避開(kāi)反光杯出射的平行光，將透鏡放在反光杯內某一位置.

按照第一種情況，在出光口加透鏡.保持前口徑不變，改變后口徑曲率，看對照度大小的影響，確定最佳曲率.為確定后表面的曲率半徑，首先對后表面曲率半徑和40m處照度最大值之間進(jìn)行了靈敏度分析(如圖9所示)，以確定最佳的優(yōu)化起始面型，減少優(yōu)化耗時(shí).

當半徑為R=92.2mm,最大照度為27.08blx此時(shí)半光強角為11度，滿(mǎn)足條件.

5.2透鏡的位置確定

按照第二種情況，先在3個(gè)位置進(jìn)行模擬，將透鏡放置于距光源25mm,50mm,74.25mm處，如圖10所示，確定后口徑半徑，觀(guān)察改變后口徑曲率對40m處照度的影響.

為了避開(kāi)反光杯出射的平行光，設邊緣直線(xiàn)L.方程為：

其中：k--直線(xiàn)斜率，由于L.通過(guò)點(diǎn)(0,23)，(74.25,90)，可得出直線(xiàn)方程為：

此時(shí)的y即為透鏡前表面直徑.將透鏡放在反光杯內不同位置，得到的不同曲率半徑與最大照度關(guān)系如圖11所示.

當x=25時(shí)，R=40mm照度達到最大，為19.3lx;x=50時(shí)，R=66.7mm時(shí)，照度達到最大，為25.3llx.

由分析，最終確定，R=92.2mm時(shí)，遠場(chǎng)照度值最大，為27.08lx,滿(mǎn)足照度要求，因此確定在出光口處加透鏡.

考慮到透鏡厚度對光能的影響及加工費用等因素，將透鏡做成菲涅爾透鏡，其工作原理十分簡(jiǎn)單，由于透鏡的折射能量絕大部分發(fā)生在光學(xué)表面，拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度，可達到同樣的效果，而且成本比普通的凸透鏡低很多.保持厚度d=5mm,最終面型如圖12所示.

6 總結

本文介紹了一種基于提高LED遠場(chǎng)照度的新型二次光學(xué)設計，可以為以后燈具的結構及配光設計提供一些依據.