一种新型的基于非成像光学的LED均匀照明系统

第33卷第1期2007年1月 光学技术OPTICAL TECHN IQU E Vol.33No.1Jan.　2007文章编号:100221582(2007)0120110203一种新型的基于非成像光学的L ED 均匀照明系统Ξ杨毅1,钱可元1,罗毅1,2(1.清华大学深圳研究生院半导体照明实验室,深圳　518055)(2.清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室,北京　100084)摘　要:为解决发光二极管(L ED )作为朗伯光源难以直接应用的问题,运用非成像光学设计方法,实现了一种新型的基于L ED 的均匀照明系统,它能够在一个特定位置的屏幕上形成一个具有特定尺寸的均匀圆形光斑。

使用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件对该光学系统进行模拟仿真,结果显示屏幕上光斑的均匀度优于85%,系统效率高于82%。

关键词:应用光学;半导体照明;非成像光学;均匀照明系统中图分类号:TH74 文献标识码:AA novel L ED uniform illuminance system based on nonimaging opticsY ANG Y i 1,QI AN Ke-yuan 1,LUO Y i 1,2(1.Semiconductor Lighting Lab ,Graduate School at Shenzhen ,Tsinghua University ,Shenzhen 518055,China )(2.State K ey Lab on Integrated Optoelectronics ,Tsinghua University ,Beijing 100084,China )Abstract :Based on nonimaging optics design method ,a novel uniform illuminance system with L ED source was developed to create a uniform illuminated circular region with desired size in a screen at a prescribed place.By using ray-tracing software based on Monte-Carlo method ,the simulation results show that in the illuminated re gion the luminous uniformity is better than 85%,and the efficiency of whole system is more than 82%.K ey w ords :applied optics ;semiconductor lighting ;nonimaging optics ;uniform illuminance system0　引　言当前,半导体照明产业的发展方兴未艾。

在这个领域中,除了发光二极管(L ED )芯片性能这个核心问题之外,基于发光二极管的光学系统设计,对最终的照明器件和产品的性能也起着至关重要的作用。

发光二极管的光强呈大致的余弦分布,因此通常被认为是近似的朗伯光源。

这样的光场分布,如果不经过合适的光学系统处理而直接应用,在大多数情况下都难以满足照明灯具和器件所需要达到的性能指标,同时还会因为大量无效光的存在而大大地降低系统的效率。

从保护人眼健康和提高照明效果出发,很多场合都需要利用灯具进行均匀照明,即在一个给定的位置和一个给定的区域内,形成一个照度均匀的光斑;照射到这个区域之外的光被视为无效光。

这样的灯具的一个典型的例子就是阅读灯。

不使用适当光学系统封装的L ED 光源,由于L ED 本身的朗伯特性,它在屏幕上形成的照度沿径向迅速衰减,如图1(a )所示,因此难以满足使用要求。

另一方面,由于在照明范围内每一点的照度都必须大于某一个最低照度值,同时还考虑到有相当一部分光能量泄漏到有效范围以外,因此,往往只能通过提高光源的光输出才能达到照明要求,这实际上造成了能源的浪费。

图1　两种L ED 光源照明效果的对比使用均匀照明光学系统可以基本解决上述的问题,如图1(b )所示。

它的功能是对光的能量进行重新分配,属于非成像光学的范畴。

本文应用非成像光学的设计方法,实现了一种新型的L ED 均匀照明系统,并使用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件对该光学系统进行了模拟仿真,仿真结果表明该光学系统基本可满足设计要求。

11Ξ收稿日期:2005212207;收到修改稿日期:2005212231 E 2m ail :yang -yi03@作者简介:杨毅(1981-),男,北京人,清华大学硕士研究生,从事半导体照明器件的应用研究。

1　非成像光学及其设计方法1.1　非成像光学概述相对于传统的成像光学来说,非成像光学并不强调光源是否在屏幕上成像以及成像质量如何,而是强调光能的传输效率及分配。

早在20世纪30、40年代在美国的一些生产光学产品的公司中就出现了非成像的光学器件,然而直到70年代,非成像光学的理论才逐渐成为一个体系[1,2],并由于其在太阳能收集、光纤耦合器、液晶显示器背光源设计和红外探测与制导等领域的广泛应用而迅速发展成为一门新的光学分支。

利用非成像光学控制光辐射的传输,主要可以解决两大类问题。

一是光能的收集问题,其关注焦点在于光能的收集效率;二是光能的分配问题,其关注焦点在于如何实现预先给定的光场分布。

本文所讨论的以发光二极管为光源的均匀照明系统的设计主要属于第二类问题。

1.2　非成像光学的两种基本设计方法(1)面向理想光源的设计方法首先考虑一个相对简单的情形:当光源的尺寸远远小于它到反射或折射界面的最小距离时,可以将光源理想化,忽略它的尺寸,这称为“点光源近似”。

Boldyrev[3]、K omissarov[4]和Elmer[5]先后研究过这个问题。

根据光学系统形态的不同,它又可以分成二维系统设计和轴对称三维系统设计两种,它们分别使用线光源和点光源。

两种系统的设计方法的不同点在于:对于设计得到的平面曲线,前者将其沿着平面的垂直方向全等的延伸生成一个三维模型,而后者将其绕对称轴旋转一周生成一个轴对称的模型。

这两者都是通过设计反射界面和折射界面的形状来重新分配光源发出的光线,进而实现所需要的能量分布;但是,由于面向不同的系统,这两者在设计过程中所使用的一些物理量的表达式有所不同。

(2)面向扩展光源的设计方法前述的面向理想光源的设计方法是对实际情况的简化处理,然而在很多情况下———尤其是要求光学系统的总体积比较小、比较紧凑时———光学器件的尺寸并不能远远大于光源的尺寸。

在这种情况下,使用面向点光源的设计方法得到的光学系统的性能必然会发生恶化。

面向扩展光源的非成像光学设计方法很好的解决了这个问题[6—10]。

然而到目前为止,这种设计方法还只能应用于设计二维系统,轴对称三维系统并不能用类似的方法精确的求出;这一点与面向点光源的设计不同。

为了解决这个问题,一种经常使用的方法是:将设计二维系统得到的平面曲线绕对称轴旋转一周生成轴对称三维模型。

经过软件仿真证明,这个轴对称模型的光场分布在有些情况下能够很好地满足设计要求,而在有些情况下则与所需要的光场分布相去甚远,其原因在于在轴对称系统中出现了旋进光,而二维系统的设计方法只能处理子午光[10]。

综上所述,要得到一个轴对称三维的光学器件,面向扩展光源的设计方法不一定可以完全胜任。

在很多情况下,要根据实际情况结合面向点光源和面向扩展光源两种设计方法来共同完成设计。

2　一种新型的L ED均匀照明系统均匀照明系统的设计流程如图2所示。

下面对设计步骤作详细的说明。

2.1　L E D 均匀照明系统的结构图2　均匀照明光学系统设计流程L ED均匀照明系统是旋转对称的,其剖面图结构如图3所示。

为提高L ED芯片的光提取效率,常见图3　L ED均匀照明系统实例剖面图的L ED光源都是经过一次封装的,可以在其基础上进行二次光学设计。

当二次透镜的界面到一次透镜表面的距离比较大时,可以将L ED和一次透镜的整体作为光源进行设计。

然而从实用的角度考虑,二次透镜一般不适宜做得很大,因此我们在设计中将一次透镜作为一个独立的光学元件来考虑,光源则是L ED芯片。

二次封装透镜是光学设计的主要部分。

考虑到过多的设计自由度会增加设计难度,我们将二次透镜的顶部设成一个平面,那么曲面1和曲面2就成为设计的主要对象。

2.2　平面曲线的设计(1)已知条件及其近似已知的设计参数是:(1)L ED芯片是一个长方体,上表面为一个正方形发光面,其中心在原点,边长为a,总光通量为Φ;(2)屏幕的高度为H,屏幕111第1期杨毅,等:　一种新型的基于非成像光学的L ED均匀照明系统上均匀照明区域的半径为R ;(3)一次透镜外形如图3所示,其形状参数是可测的;(4)曲面1的中心高度h 是设定的,它决定了二次透镜的总体尺寸;(5)一次透镜和二次透镜的折射率都是n 。

我们对已知条件作如下近似:(i )由于光学器件是轴对称的,为了设计上的方便,将L ED 光源近似处理为一个圆柱体。

发光面为圆柱体的圆形上表面,圆心在原点,半径为r =a/π(保持面积恒定)。

从模拟结果可以看到,这样做不会带来很大的误差。

(ii )对一次透镜进行测量,可以得到其子午面的轮廓。

我们将其顶部近似为一段椭圆弧,将其侧壁近似为一段直线。

图4　曲面1的设计(2)曲面1的设计使用面向扩展光源的非成像光学设计方法来设计曲面1,图4是其光路示意图。

整个系统关于直线N 对称,因此在图中除了光源以外只表示出了系统的一半。

考虑屏幕上的一点A ,由光源发出的所有入射到A 点的光线组成一光束。

根据边缘光线理论[10—12],在二维坐标系下,A 点的照度E A 是由这个光束的两条边缘光线决定的,其表达式为E A =B |∫θTθLcos θd θ|=B |sin θT-sin θL |(1)式中B 为光源的光亮度;θT 和θL 分别表示两条边缘光线与点法线的夹角。

设计过程中,控制两条边缘光线,使它们形成的光锥在屏幕上逐点扫过,同时利用(1)式得到每条光线从光源出射的角度与其入射到屏幕上的位置的一一对应关系,进而根据菲涅尔定律由初始点C 0开始,逐点得到曲线C 。

在这个过程中一条边缘光线始终在前,我们称之为“引导边”,另一条称为“跟随边”。

由(1)式可以看出,曲线C 应为二维系统的任意一个横截面。

将C 绕对称轴N 旋转一周得到曲面1。

经光线追迹软件仿真证明,其光场分布是比较理想的。

(3)曲面2的设计利用面向扩展光源的设计方法同样可以得到曲面2,但经软件仿真证明,其光场分布与理想的均匀分布相去甚远。