多个LED发光装置的新型采集系统
作为光源的一种，发光二极管（LED）有很多优点。LED集成度更高，颜色种类多，使用寿命更长，而且工作电压较低。但是，它仍有一个非常大的缺陷：一只LED的光照强度还是比较低。这个缺点导致显示屏上的光通量不会很高。但是无论如何，LED还是以其出色的性能在低电压装置中普遍应用。因此，利用此系统采集多个LED的光，集成为更高强度的照明装置。本设计提出三种采集系统，来实现增强光强的功能。效率最好的一种采集系统可以达到96%。同时，还分析了本系统的制造误差以及预算。
1 简介
利用传统的光源来设计一个便携式探照灯，尺寸和能耗会很大。而利用LED 来设计将会避免这些问题。LED有很多优点：节能、体积较小、使用寿命长（约100,103小时）等，尤其是LED的光很适合环境工作。Carel Zeiss和Philips打算用LED光源设计两种便携式探照灯。尽管LED有诸多优点，可以让他们设计出的探照灯更加便携和小巧，但是由于光学元件的转换效率问题，导致系统有很多困难。解决这个困难将是本文研究的重点。通常，用一种合成非线性集中器（CPC）来减小分散度。但是，这种传统的CPC采集效率仅为72%，必须要改善采集效率来提高光的利用率。本文中将解决分散度和采集效率两个问题。为实现这个目标，设计了三种不同的采集系统，以提高效率，下面逐一介绍。
2 仿真部分
利用光学仿真软件和标签查找模块（BRO），来设计并分析采集系统的性能。LED光源部分来自Osram-Opical半导体。远程LED光源是一种Lambertian模式，LED的规格见表1。
在采集系统的底部有四个LED。系统各个LED之间的位置关系如图1。通光部分为2.1×2.1mm2，孔径3.26mm。LED阵列对称的分布于系统的底部。
采集系统的第一个光学元件为均质器。这个均质器的受光角度是12.5°。因此，这个系统就是要把LED的受光角度的范围控制在±60°到±12.5°之间。均质器的收集效率和能量分布能用来判断此采集系统。
3 新采集系统的说明
这里是三个新的采集系统：示踪的新设计I，新设计II，新设计III。在下一
章节，将对采集系统的结构、采集效率和传统的合成非线性集中器（CPC ）和新的采集系统的能量分布进行阐述和分析。
3.1 传统的合成非线性集中器（CPC ）的设计
图2给出了传统的合成非线性集中器（CPC ）的结构。用某种形状的侧反光板来收集从光源发射出来的光线。合成非线性集中器（CPC ）的入口领域完全覆盖了LED 的光源。见这平面横截面所有的边缘发出的光线发射器作为平行的光线离开合成非线性集中器（CPC ）。
CPC 的长度服从下面的关系式：
通常来说，一个传统的合成非线性集中器（CPC ），它的发散角和长度是成反比例的。因此，如果一个传统的CPC 被用于采集系统，体积需要得到显著降低则散度角度会太大。图3（a ）给出了从传统的合成非线性集中器到均质器的能量分布预测。能量分布从均质器验收角度是±12.5°时产生分歧。从图3（b ）中可以看出：收集的综合的能源效率流量和不同倾角只有72％在均质器的接受角度之内。
图1 LED 芯片之间的相对位置
图2 传统的合成非线性集中器（CPC ）的结构
3.2 包含透镜和反射镜的混合系统
图4给出了新设计I 的结构和射线追踪图。对于这个准直透镜仪的设计，贝塞尔曲线被用于调制采集系统的形状。新设计I 可以分为俩个部分：在中心的准直透镜、在侧面的反射器。LED 在一个小于40°的角度发出的光线在镜头的中心会变成平行光。图5给出了新设计I 中，穿过均质器的能量分布。中心能量分布的下沉是由于在新采集系统的中心没有LED 光源的事实。图中可以看出，
能量大都集图3 传统cpc 的能量分布和采集效率
图4 新式I 的结构和射线追踪图 图6 新式II 的结构和射线追踪图
图5 新式I 的结构和采集效率
中分布在±12.5°范围内。这种现象在图5（b）中也可看出。这是因为整合的穿过
均质器对抗倾斜角区域的能量能达到93％的采集率。
3.3 菲涅尔透镜和反射镜
图6给出了新设计II的结构和射线追踪图。新设计II可以分为两部分：在中间的菲涅尔透镜和环绕在周边的反射镜。由于LED相对狭窄的频谱波长，依赖于菲涅尔透镜装置的红外线波长可以被运用到此采集系统。为了使装置的体积达到最小，用菲涅尔透镜的一种热射入取代了传统的镜头。由于它的应用，获得了这种厚度只有10㎜的装置。菲涅尔透镜的主要作用是收集射线以保证发光角度小于40°。如果发散角在50°到90°之间，侧反光板便控制光线方向以确保光线到采集系统的中心。然而，40°到50°之间仍有缺口。新设计II的能量分布图在图7（a）中给出了。可以认为，在新式II中的能量和新设计I中是相似的。能量被集中于均质器的中心。图7（b）中可以看到，新式II能量采集效率可以达到96％。
图7 新设计II的能量分布和采集效率图
3.4 抛物线型反射器
III 型的结构和光线追中如图8。III 型在外表上和传统的CPC 很相似。为了避免传统CPC 的过低的收集效率，在侧反光板用了一个贝齐尔曲线，且收集效率被用作最有条件。主体只是一个反射器，所以它继承了传统CPC 的低成本。光传播的方向是被这个侧反光板所控制的。III 型的能量分布如图9。与I 型和II 型相比，能量分歧角度比较大。这一现象例证了它较低的收集效率。通过均质器，收集效率如图9（b ），为76%。
图8 新设计II 的结构和射线追踪图
图9 新式III 型的能量分布和采集效率图
图10 新式I的照片图11 新式III型的照片4 容错性分析
显示移位和倾斜容错性的表格2中显示了3个采集系统的容错性。采集率可用来判断容错性。新设计II拥有3个设计中最好的采集率和最低的容错性。但是，在移位和倾斜容错性测试中采集率下降到甚至低于50%。新设计III在移位和倾斜容错性中只有中等性能。容错性测试后的采集率有大约60%.移位和倾斜测试后新设计I表现出了最好的容错性。采用通用标准的20%，采集率仍为约80%。
