新型LED礦燈光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉 青，張 云 翠，劉 龍，鄒 念 育，高 英 明，王 嫣 然

(1.大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所，遼寧 大連 116034；2.大連東軟信息學(xué)院 嵌入式系統(tǒng)工程系，遼寧 大連 116023)

0 引 言

礦燈對(duì)于煤礦作業(yè)人員的井下工作至關(guān)重要，相比傳統(tǒng)的礦燈光源，LED具有光效高、壽命長(zhǎng)、體積小、工作時(shí)較低的結(jié)溫不易引燃爆炸性氣體的優(yōu)點(diǎn)[1]；同時(shí)，LED光源近似點(diǎn)光源，便于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使LED礦燈成為目前礦燈研制的熱點(diǎn)[2]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《MT 927—2004KL型礦燈》規(guī)定額定容量為7A·h的礦燈在1m處中心照度大于等于350lx。大部分KL型礦燈在1m處的光斑半徑為120mm左右，光照度良好[3]。針對(duì)LED光源的特殊性，采用光強(qiáng)分布類似朗伯分布的LED光源，需要高效的光學(xué)會(huì)聚系統(tǒng)，以減少雜散光。目前的LED礦燈光學(xué)系統(tǒng)的方式有反射式、透射式等，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在聚光性能差、透鏡體積大等缺點(diǎn)[4]，基于此，作者提出一種新型的LED礦燈光學(xué)系統(tǒng)，以適應(yīng)井下照明的特殊要求。

1 新型LED礦燈的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

不同結(jié)構(gòu)的LED礦燈光學(xué)系統(tǒng)比較研究如下。圖1為國(guó)內(nèi)高校提出的折反射器，透鏡和反射器配合使用，提高了聚光性能。但是系統(tǒng)中的反射器的高度較大，燈具效率較低，不利于實(shí)際應(yīng)用。圖2為全反射式準(zhǔn)直透鏡，光源所有的出射光線都被配成平行光射出。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)需內(nèi)鍍反射層。但此透鏡的聚光性能低于現(xiàn)有的折反射器，另外，透鏡在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上仍存在一定的材料浪費(fèi)，體積可進(jìn)一步減小。

圖1 折反射器Fig.1 Hybrid optical system

圖2 全反射式準(zhǔn)直透鏡Fig.2 TIR collimator

為解決以上LED礦燈光學(xué)系統(tǒng)中的反射器過(guò)高、結(jié)構(gòu)不夠合理等缺陷，作者提出一種新型LED礦燈的光學(xué)系統(tǒng)，其主要由新型自由曲面折反射器構(gòu)成，包括折射器和自由曲面反射器，如圖3所示。

圖3 新型自由曲面折反射器Fig.3 New illumination system

1.1 折射器的設(shè)計(jì)

折射器包括自由曲面形的折射面、鋸齒型曲面和凹陷的半球殼體，折射面將光源發(fā)出的0°～20°和20°～40°的光線配成0°的平行光線射出；鋸齒型曲面位于折射器的上部?jī)?nèi)側(cè)，用于減小折射器的體積；凹陷的半球殼體，位于折射器的底部，并與反射器的底部相匹配，起支撐折射器的作用[5－7]。

如圖4所示，點(diǎn)O為L(zhǎng)ED光源，θi和θi＋1分別為光源發(fā)出的第i和i＋1條光線與Y軸的夾角，OM為折射面的邊緣光線，點(diǎn)A(xi，yi)和點(diǎn)B(xi＋1，yi＋1)為光線與透鏡母線的交點(diǎn)，βi為點(diǎn)A處切線與水平線的夾角，αi為點(diǎn)A處入射角，δi為點(diǎn)A處出射角。

圖4 折射面的母線迭代分析Fig.4 Iterative analysis of refracting surface

采用近似算法，將點(diǎn)(xi，yi)與點(diǎn)(xi＋1，yi＋1)之間的母線所在直線近似為點(diǎn)(xi，yi)處的切線，即將母線的斜率表示為[5]

光線入射角和切線與水平線的夾角滿足以下關(guān)系：

為使出射光線與Y軸正方向平行，光線出射角δi應(yīng)等于切線與水平線的夾角，即

通過(guò)代換可得

將式(4)代入式(1)得到母線各點(diǎn)坐標(biāo)的迭代公式：

將由式(5)、(6)求得的母線各點(diǎn)坐標(biāo)連線即可得到折射面的母線。

由于出射光線為平行光，透鏡的折射僅僅發(fā)生在光學(xué)表面，所以在不影響出射光線方向的基礎(chǔ)上可去除部分光學(xué)材料，如圖5所示，將折射器上方內(nèi)部加工成鋸齒型曲面，減少光線損耗，并減小折射器的體積，并降低制造成本。

圖5 鋸齒形曲面的設(shè)計(jì)Fig.5 Design of saw toothed surface

1.2 自由曲面反射器的設(shè)計(jì)

自由曲面形的反射面位于反射器的側(cè)面，將光源發(fā)出的40°～90°的光反射成0°的平行光線射出。

如圖6所示，θj和θj＋1分別為光源發(fā)出的第j和j＋1條光線與X軸的夾角；OJ為反射面的邊緣光線，點(diǎn)U(xj，yj)和點(diǎn)V(xj＋1，yj＋1)為光線在反射面上的入射點(diǎn)；βj為點(diǎn)U處切線與水平線的夾角；αj為點(diǎn)U處入射角；δj為點(diǎn)A處出射角。

圖6 反射面的母線迭代分析Fig.6 Iterative analysis of reflecting surface

光線入射角和切線與水平線的夾角滿足以下關(guān)系：

為使出射光線與Y軸正方向平行，光線出射角δj應(yīng)等于切線與水平線的夾角，即

通過(guò)代換可得

將式(9)代入式(1)即得反射面母線各點(diǎn)坐標(biāo)的迭代公式：

將由式(10)、(11)求得的母線各點(diǎn)坐標(biāo)連線即可得到反射面的母線。

2 光學(xué)系統(tǒng)仿真分析

通過(guò)計(jì)算得到設(shè)計(jì)所需的系統(tǒng)模型，其中反射器的口徑為50mm，高為30mm；折射器的口徑為18mm，高為11mm。利用犀牛軟件建模結(jié)果如圖7所示實(shí)體。

圖7 LED礦燈光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.7 LED illumination system

選用 Cree公司型號(hào)為 XPEWHT－4B0－Q4，光通量為100lm的中性白貼片式LED作為光源。將光學(xué)系統(tǒng)的模型導(dǎo)入光學(xué)仿真軟件后進(jìn)行光線追跡，其仿真結(jié)果如圖8、9所示。由圖8、9可見(jiàn)，本光學(xué)系統(tǒng)的大多數(shù)出射光線都較為平行，光線出射角小于10°。因此本系統(tǒng)對(duì)光線的利用率高，會(huì)聚效果較好，可以形成較小的中心光斑，即使在較遠(yuǎn)處也能滿足礦燈的光照度要求，從而提高了工人井下工作的效率和安全性。

圖8 光線追跡效果圖Fig.8 Ray tracing of the system

圖10為光學(xué)系統(tǒng)在1m處的光斑效果，其半徑為125mm，大小適中，避免了｀過(guò)小造成眩光產(chǎn)生視覺(jué)疲勞、過(guò)大照度不夠影響可見(jiàn)性的問(wèn)題。系統(tǒng)的中心照度達(dá)到1 250lx，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的中心照度指標(biāo)。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到光照均勻度大于0.5，說(shuō)明光斑較均勻，光斑質(zhì)量較好。本系統(tǒng)的折射器采用PMMA材質(zhì)，反射器采用鋁，燈具效率約為84%。

圖9 光強(qiáng)分配仿真結(jié)果圖Fig.9 Light distribution curve

圖10 照度分布仿真結(jié)果圖Fig.10 Illumination profile

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有礦燈光學(xué)系統(tǒng)的分析，提出一種新型折反射器，利用光學(xué)仿真軟件進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明系統(tǒng)的出射角小于10°，出射光線較為平行，光斑大小適中，光照度較為均勻，中心照度值達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，可作為新型LED礦燈的配光系統(tǒng)。同時(shí)，本光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，能夠有效節(jié)約生產(chǎn)成本。

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