民機(jī)光觸媒凈化裝置的光學(xué)設(shè)計(jì)

張絮涵 汪光文 史喬升 曹 祎 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

0 引言

光觸媒(或光催化法)是指將TiO2等光催化劑以一定形式負(fù)載至吸附劑基材上，制得的固定化TiO2復(fù)合體在一定波長(zhǎng)光線照射下降解氣相或液相污染物的方法[1]。光催化反應(yīng)降解室內(nèi)VOCs的本質(zhì)是在光電轉(zhuǎn)換中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，只有波長(zhǎng)小于380 nm的紫外光才能激發(fā)TiO2產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴，導(dǎo)致VOCs的氧化分解[2]。故而在光觸媒凈化裝置中，發(fā)射紫外光的光學(xué)部件是必不可少的部件之一。在自主研發(fā)的一種新型飛機(jī)管路式光觸媒凈化裝置中，考慮利用UV-LED與導(dǎo)光板配合以獲得均勻有效的紫外光面光源。之所以采用這樣的形式，是由于其具有耗電量低、發(fā)熱量低、體積小、堅(jiān)固耐用等諸多優(yōu)點(diǎn)。

LED導(dǎo)光板式面光源廣泛應(yīng)用于平板顯示、日用照明、廣告裝飾等諸多領(lǐng)域，其中導(dǎo)光板的網(wǎng)點(diǎn)排布、形狀及材料組成決定了導(dǎo)光板的表面照度、均勻性及出光效率[3]。目前對(duì)于該類面光源的研究主要集中在某種特定用途的導(dǎo)光板(如LED平板燈、LED背光模組等)的光學(xué)設(shè)計(jì)與網(wǎng)點(diǎn)排布等領(lǐng)域[4-8]，其尺寸以長(zhǎng)寬比<2的方形為主，其點(diǎn)光源入射方式以單側(cè)入光為主。由于飛機(jī)管路式光觸媒凈化裝置的特殊構(gòu)型，不得不將導(dǎo)光板設(shè)計(jì)成窄長(zhǎng)型(長(zhǎng)寬比≥4)、兩端入光的形式，且點(diǎn)光源為波長(zhǎng)小于380 nm的紫外光LED(即UV-LED)?，F(xiàn)有資料中并沒(méi)有對(duì)這種形式光學(xué)部件進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)的研究。本文針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)窄長(zhǎng)型、兩端入光的導(dǎo)光板進(jìn)行合理的光學(xué)設(shè)計(jì)，并對(duì)導(dǎo)光板上的網(wǎng)點(diǎn)分布進(jìn)行了優(yōu)化，以期獲得較好的出光性能。

1 光學(xué)部件的原理及結(jié)構(gòu)

1.1 導(dǎo)光板光學(xué)原理

導(dǎo)光板能夠合理引導(dǎo)光線方向，使點(diǎn)光源或線光源通過(guò)導(dǎo)光板的疏導(dǎo)變成面光源。其基本光學(xué)原理如圖1所示：當(dāng)點(diǎn)光源或線光源的光線從側(cè)面入射導(dǎo)光板內(nèi)后，基于全反射原理，光線會(huì)在導(dǎo)光板內(nèi)部向前傳播，并不能從導(dǎo)光板的上表面出射。但是在導(dǎo)光板下表面設(shè)置具有一定排布規(guī)律的散射網(wǎng)點(diǎn)或微結(jié)構(gòu)后，散射網(wǎng)點(diǎn)或微結(jié)構(gòu)的散射作用會(huì)破壞光線在導(dǎo)光板內(nèi)部的全反射，使得光線能夠從導(dǎo)光板上表面出射，從而將點(diǎn)光源或線光源轉(zhuǎn)化為面光源[9]。

圖1 導(dǎo)光板的光學(xué)原理

導(dǎo)光板通常采用透光性能極優(yōu)、可塑性能好、強(qiáng)度較高的工程材料，主要包括聚碳酸酯PC(Poly Carbonate)和聚甲基丙烯酸甲酯PMMA(Poly Methyl Meth Acrylate)。通常大尺寸導(dǎo)光板使用PMMA，而小尺寸導(dǎo)光板(如手機(jī)用導(dǎo)光板)使用PC。

1.2 UV-LED概述

LED(Light Emitting Diode，簡(jiǎn)稱LED)是一種半導(dǎo)體發(fā)光二極管，可以把電能轉(zhuǎn)化為光能。當(dāng)正向?qū)ǖ碾妷杭釉诎雽?dǎo)體材料的p-n結(jié)上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致p區(qū)和n區(qū)的交界處電子和空穴發(fā)生復(fù)合，復(fù)合過(guò)程中能量會(huì)以光的形式發(fā)射出來(lái)。LED被稱為第四代光源，廣泛地應(yīng)用于各種照明領(lǐng)域，具備電光轉(zhuǎn)化效率高(接近60%)、節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)(可達(dá)105h)、工作電壓低(3 V左右)、發(fā)熱量少、體積小、結(jié)構(gòu)牢固、亮度高、光束集中穩(wěn)定、啟動(dòng)無(wú)延時(shí)等諸多優(yōu)點(diǎn)。

UV-LED是指發(fā)光中心波長(zhǎng)在400 nm以下的LED，一般發(fā)光波長(zhǎng)大于380 nm時(shí)稱為近紫外LED，而小于300 nm時(shí)稱為深紫外LED?？紤]到飛機(jī)管路式光觸媒凈化裝置中，紫外光波長(zhǎng)需要與光觸媒涂層材料匹配，故選擇波長(zhǎng)為365 nm的貼片式UV-LED。

1.3 光學(xué)部件結(jié)構(gòu)

根據(jù)飛機(jī)管路式光觸媒凈化裝置的構(gòu)型，光學(xué)部件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。導(dǎo)光板尺寸為210 mm×49.5 mm×3.5 mm(長(zhǎng)×寬×高)。為達(dá)到導(dǎo)光板出光面的光強(qiáng)設(shè)計(jì)要求，在導(dǎo)光板兩端各安裝三盞電功率為1 W的UV-LED。UV-LED焊接在鋁基電路板上，電路板與底座密封，防止端面漏光。

圖2 光學(xué)部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2 光學(xué)仿真及分析

本文基于蒙特卡洛算法，采用“普適光線追跡”技術(shù)對(duì)該光學(xué)部件進(jìn)行光學(xué)模擬。模擬時(shí)將光線引入模型，每個(gè)界面相交處的個(gè)體光線遵從吸收、反射、折射、衍射和散射定律；并跟蹤每條光線的光通量，計(jì)算光的吸收、鏡面反射及折射、衍射和散射能量。

2.1 UV-LED光學(xué)模型

根據(jù)選型UV-LED的產(chǎn)品參數(shù)建立點(diǎn)光源的模塊化光學(xué)模型，其光通量700 mW，波長(zhǎng)365 nm，模擬時(shí)按單盞燈35 000條光線(6盞燈共210 000條光線)追跡。UV-LED隨角度的發(fā)光場(chǎng)型如表1所示。

表1 UV-LED的發(fā)光場(chǎng)型

2.2 UV-LED&無(wú)網(wǎng)點(diǎn)導(dǎo)光板光學(xué)模型

按光學(xué)部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)建立光學(xué)模型，其中點(diǎn)光源直接導(dǎo)入上述UV-LED光學(xué)模型。導(dǎo)光板材料為PMMA，除出光面以外的其他表面的面屬性均設(shè)置為Perfect Mirror(完美鏡面)，用于表征其全反射作用。

為了觀察導(dǎo)光板出光面的光強(qiáng)分布，在導(dǎo)光板上方設(shè)置一塊完全吸收的觀察板，其下表面距離導(dǎo)光板出光面0.5 mm，面屬性為Perfect Absorber(完美吸收面)。首先對(duì)無(wú)網(wǎng)點(diǎn)導(dǎo)光板的光學(xué)模型進(jìn)行試算，以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驼_性。

光學(xué)模擬結(jié)果如圖3所示，包括光線追跡示意圖和觀察板上的光強(qiáng)分布?？梢钥吹綄?dǎo)光板上無(wú)網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，出光面并沒(méi)有光線出射，僅在導(dǎo)光板兩端有若干光線飄逸，認(rèn)為是模型縫隙所致，可以忽略。同時(shí)，觀察板的入光面也沒(méi)有光強(qiáng)分布結(jié)果。認(rèn)為模擬結(jié)果符合全反射原理，故認(rèn)為模擬有效。

a)光線追跡結(jié)果

b)觀察板上的光強(qiáng)分布圖3 未設(shè)置網(wǎng)點(diǎn)時(shí)光學(xué)模擬結(jié)果

2.3 UV-LED&均勻網(wǎng)點(diǎn)導(dǎo)光板光學(xué)模型

初步設(shè)計(jì)時(shí)網(wǎng)點(diǎn)按均勻化矩陣布點(diǎn)方式，即將導(dǎo)光板劃分為矩陣形式的若干網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格中心布有一顆網(wǎng)點(diǎn)，網(wǎng)點(diǎn)密度為網(wǎng)點(diǎn)與網(wǎng)格的面積之比。設(shè)計(jì)網(wǎng)點(diǎn)為凸起的半球形網(wǎng)點(diǎn)，其半徑為0.5 mm。網(wǎng)點(diǎn)密度取30%，即磚格邊長(zhǎng)為1.6 mm。網(wǎng)點(diǎn)陣列如圖4所示。

圖4 均勻化網(wǎng)點(diǎn)陣列

觀察板上的光強(qiáng)分布如圖5所示。其中最大值為617.72 W/m2，平均值為275.25 W/m2，總光通量2.725 W?？梢钥吹?，觀察板上的光強(qiáng)分布并不均勻，且導(dǎo)光板的兩端入光區(qū)光強(qiáng)最大，遠(yuǎn)離導(dǎo)光板兩端的光強(qiáng)急劇衰減，導(dǎo)光板中段的光強(qiáng)很低。

圖5 UV-LED&均勻網(wǎng)點(diǎn)導(dǎo)光板光強(qiáng)分布結(jié)果

為了量化均勻度，在導(dǎo)光板中軸線上設(shè)置5個(gè)測(cè)點(diǎn)并取值(如圖3b)所示)，計(jì)算其均勻度，計(jì)算公式如下：

(1)

如表2所示，經(jīng)計(jì)算，均勻網(wǎng)點(diǎn)的出光均勻度極低，僅為39.2%。造成這種結(jié)果的關(guān)鍵原因在于網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理，均勻的網(wǎng)點(diǎn)布置無(wú)法使光線導(dǎo)向?qū)Ч獍逯卸危龉庑阅軜O差。故而這種兩端入光且形狀窄長(zhǎng)的導(dǎo)管板，必須關(guān)注其網(wǎng)點(diǎn)的非均勻布置與優(yōu)化。

表2 均勻網(wǎng)點(diǎn)導(dǎo)光板的5測(cè)點(diǎn)光強(qiáng)值

3 網(wǎng)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

網(wǎng)點(diǎn)密度決定了導(dǎo)光板出光面的整體亮度和均勻性。有研究結(jié)果表示，網(wǎng)點(diǎn)密度變化區(qū)間范圍在10%～40%之間較為合適(即r/a=17.8%～35.7%)，建議最佳網(wǎng)點(diǎn)密度設(shè)置在25%～35%之間(即r/a=28.2%～33.4%)[10]。經(jīng)光學(xué)推導(dǎo)，獲得網(wǎng)點(diǎn)密度的設(shè)置函數(shù)為：

(2)

式中，r為網(wǎng)點(diǎn)半徑；a為網(wǎng)格邊長(zhǎng)；B為導(dǎo)光板表面出光亮度，其值恒定(需求值)；k，k1為比例系數(shù)(自定義)；E為光源在點(diǎn)(x,y)處的照度。

分析式(2)可以看出，導(dǎo)光板表面的出光亮度和網(wǎng)點(diǎn)密度呈正比。但在實(shí)際情況中，會(huì)對(duì)導(dǎo)光板表面出光亮度有要求值，且一般為恒定值，此時(shí)網(wǎng)點(diǎn)密度與光源在某點(diǎn)處的照度值呈反比。換句話說(shuō)，靠近光源的點(diǎn)位照度值偏大，故網(wǎng)點(diǎn)密度應(yīng)偏小(網(wǎng)點(diǎn)稀疏)，即網(wǎng)點(diǎn)半徑小或網(wǎng)格邊長(zhǎng)大；遠(yuǎn)離光源的點(diǎn)位照度值偏小，故網(wǎng)點(diǎn)密度應(yīng)偏大(網(wǎng)點(diǎn)密集)，即網(wǎng)點(diǎn)半徑大或網(wǎng)格邊長(zhǎng)小?？紤]到導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)的制造工藝，一般采用固定網(wǎng)點(diǎn)半徑，變動(dòng)網(wǎng)格邊長(zhǎng)的方法。

為直觀便捷地布置網(wǎng)點(diǎn)，本文采用網(wǎng)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行網(wǎng)點(diǎn)的非均勻布點(diǎn)。其采用分塊式布點(diǎn)方式，將導(dǎo)光板分為合理的塊區(qū)域，在塊區(qū)域中設(shè)置網(wǎng)點(diǎn)密度，并予以優(yōu)化。

為獲得合理的網(wǎng)點(diǎn)陣列，經(jīng)多次嘗試，將導(dǎo)光板分為4行30列的矩陣。根據(jù)網(wǎng)點(diǎn)密度范圍建議值，取10%～40%，且導(dǎo)光板中段網(wǎng)點(diǎn)密集，兩端網(wǎng)點(diǎn)稀疏。按高斯方程非均勻化每個(gè)塊區(qū)域的網(wǎng)點(diǎn)密度，得到網(wǎng)點(diǎn)陣列如圖6a)所示。之后，需將網(wǎng)點(diǎn)陣列平滑化，得到優(yōu)化后的網(wǎng)點(diǎn)陣列如圖6b)所示。

a)非均勻分塊網(wǎng)點(diǎn)陣列

b)平滑化網(wǎng)點(diǎn)陣列圖6 網(wǎng)點(diǎn)陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程

將優(yōu)化后的網(wǎng)點(diǎn)陣列導(dǎo)入U(xiǎn)V-LED&導(dǎo)光板光學(xué)模型中，光線追跡后，觀察板上的光強(qiáng)分布如圖7所示。其中,最大值為340.43 W/m2，平均值為277.21 W/m2，總光通量2.74 W。

圖7 UV-LED&非均勻網(wǎng)點(diǎn)導(dǎo)光板光強(qiáng)分布結(jié)果

同樣地，用圖3b)的五點(diǎn)取值法計(jì)算該網(wǎng)點(diǎn)布置時(shí)的光強(qiáng)值如表3所示，根據(jù)式(1)計(jì)算得出此時(shí)出光均勻度為91.3%?？梢钥吹剑?jīng)優(yōu)化后的導(dǎo)光板出光均勻度大大改善，從均勻網(wǎng)點(diǎn)的39.2%提升到91.3%，且維持了原有的光通量。故認(rèn)為該網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法有效。

表3 非均勻網(wǎng)點(diǎn)導(dǎo)光板的5測(cè)點(diǎn)光強(qiáng)值

4 結(jié)論

本文對(duì)自主研發(fā)的一種新型飛機(jī)管路式光觸媒凈化裝置中的光學(xué)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真與優(yōu)化。利用導(dǎo)光板的光學(xué)原理，將UV-LED與導(dǎo)光板相結(jié)合，設(shè)計(jì)出兩端入光的窄長(zhǎng)型光學(xué)部件，將置于導(dǎo)光板端面的UV-LED點(diǎn)光源轉(zhuǎn)換為導(dǎo)光板面光源。為了獲得均勻的面光源出光性能，本文對(duì)該光學(xué)部件進(jìn)行了光學(xué)仿真，逐步分析導(dǎo)光板無(wú)網(wǎng)點(diǎn)、均勻網(wǎng)點(diǎn)、非均勻網(wǎng)點(diǎn)布置時(shí)的出光光強(qiáng)分布。得到結(jié)論如下：

1)導(dǎo)光板未設(shè)置網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，其出光面無(wú)光線出射，符合導(dǎo)光板的全反射原理，驗(yàn)證了光學(xué)仿真有效。

2)導(dǎo)光板設(shè)置均勻網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，網(wǎng)點(diǎn)會(huì)破壞光線在導(dǎo)光板內(nèi)部的全反射，使得導(dǎo)光板另一側(cè)成為出光面，且出光面法線方向的-70°～70°范圍內(nèi)光線能量較高。但是，均勻網(wǎng)點(diǎn)的出光性能極差，以兩端入光區(qū)的出光光強(qiáng)最大，中段出光光強(qiáng)很低。故認(rèn)為均勻的網(wǎng)點(diǎn)布置無(wú)法使光線導(dǎo)向?qū)Ч獍逯卸?，不符合設(shè)計(jì)要求。

3)導(dǎo)光板設(shè)置非均勻網(wǎng)點(diǎn)時(shí)，在維持了原有光通量的同時(shí)大大改善了導(dǎo)光板的出光均勻度。合理的設(shè)計(jì)能使得出光均勻度在91.3%。故認(rèn)為對(duì)于兩端入光的窄長(zhǎng)型導(dǎo)光板，其合理的網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)方法為，在網(wǎng)點(diǎn)密度10%～40%的范圍內(nèi)將網(wǎng)點(diǎn)按高斯方程分布，并保證導(dǎo)光板中段設(shè)置較大密度的網(wǎng)點(diǎn)，兩端設(shè)置較小密度的網(wǎng)點(diǎn)。

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