用于LED光源的反光杯準直效果研究

王海洋，金志樑，王沛沛，熊大曦

(中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所，江蘇 蘇州 215163)

引言

由于壽命長、高效率和可控性等優(yōu)點，發(fā)光二極管(light-emitting diode，LED)[1]已成為照明的主流光源，在遠距離照明中得到越來越多的應(yīng)用，其配光元件的設(shè)計也成為研究熱點。LED光源是朗伯體光源，直接輸出的光發(fā)散角很大，可達180°[2，3]，在遠程照明中需要合理的二次光學設(shè)計以減小LED輸出光的發(fā)散角，目前的二次光學系統(tǒng)可分為透射系統(tǒng)和反射系統(tǒng)兩類。透射系統(tǒng)以透鏡為代表，反射系統(tǒng)以反光杯為代表。

透鏡作為一種主要的配光元件，已經(jīng)有了大量的研究和報道[4-8]，但實用效果并不理想。透鏡可以很好地準直小角度區(qū)域的光線，為使大角度的光線能夠照到透鏡，透鏡的口徑要比較大，全內(nèi)反射透鏡(total internal reflection lens，TIR)將透射和反射結(jié)合起來，成為研究的重點。TIR透鏡工作的基本原理是小角度的光通過透射來準直，大角度的光通過反射來準直[9-12]，目前廣泛應(yīng)用的TIR是低透光率的塑料材料，經(jīng)常會產(chǎn)生色散現(xiàn)象；同時鏡片有兩個透明的表面，有一定的厚度。對于任何曲面，無論是在設(shè)計或制造過程中的微小偏差，還是透鏡中的少量雜質(zhì)，都會對光的透射和能量分布產(chǎn)生很大的影響；此外，光學透鏡具有較高的吸收率，這導致了能量損失。與透射式自由曲面透鏡元件相比，反光杯具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成本低的優(yōu)點，鍍膜后可極大減少材料的內(nèi)部吸收和散射損耗，因此，采用反射體結(jié)構(gòu)實現(xiàn)遠距離照明更加方便、高效。

二次光學系統(tǒng)往往是根據(jù)點光源設(shè)計的，一個常用的標準是當光學系統(tǒng)的口徑與光源口徑之比大于5時，光源可以被看作點光源[13]。然而當用在遠程照明領(lǐng)域時，光源尺寸的微小影響會被放大，從而影響射程和照明效果，現(xiàn)有研究對此鮮有報道。本文基于TracePro仿真研究了不同尺寸LED光源在不同尺寸反光杯下的有效射程，分析了反光杯尺寸和LED光源尺寸對射程的影響，最終得出反光杯尺寸和LED光源尺寸影響射程的規(guī)律，為遠程照明領(lǐng)域中針對LED光源應(yīng)用拋物面型反光杯光學系統(tǒng)具體效果提供參考。

1 設(shè)計與仿真

1.1 反光杯

圖1 反光杯示意圖

本文通過SolidWorks建立反光杯模型，導入TracePro進行光線仿真，仿真過程設(shè)定反光杯的反射面為“Mirror”，建立目標面讀取照度值。

1.2 光源

本文使用的LED尺寸分別為1 mm×1 mm、2 mm×2 mm和4 mm×4 mm，設(shè)定光源的光通量分別是250 lm、1 000 lm和4 000 lm，以保證三種光源發(fā)光能力相同。

1.3 射程

根據(jù)標準LED手電筒ANSI/PLATO FL-1-2019定義，照度減小到0.25 lx時的距離為射程r，也可以通過照度定律(I=E·r2，I為光軸方向光強，E為距離r處的照度)計算得到。由于反光杯準直LED光源時旁軸光線發(fā)生聚焦，本文直接截取10 km處目標面上中心照度值計算射程。

2 結(jié)果與分析

2.1 反光杯對射程的影響

本節(jié)給定光源為1 mm×1 mm，光通量為250 lm，使用TracePro仿真反光杯口徑和高度分別在50～1 000 mm變化下的射程，基于結(jié)果繪制等高線圖，如圖2所示?？芍?，射程與反光杯的口徑和高度都有關(guān)系：高度相同時，增加反光杯口徑，射程隨之增加；口徑相同時，反光杯高度增加，射程先增大，然后幾乎不變，反光杯高度繼續(xù)增加，射程開始減小。最佳口徑高度比出現(xiàn)在1∶1～1∶2之間，也就是說，當反光杯口徑與高度相同時，反光杯的準直效率最高。即使光源的光通量只有250 lm，使用口徑為1 000 mm、高為1 000 mm的反光杯也可以實現(xiàn)15 km的遠程照明。

圖2 射程與反光杯尺寸關(guān)系圖

非成像光學中用光學擴展量(光展量，Etendue)描述具有一定孔徑角和截面積的光束的幾何特性，光展量永遠不會減小[14]。對于不考慮散射、吸收造成的能量損失的理想的光學系統(tǒng)中，光束經(jīng)光學系統(tǒng)后光展量守恒。由此可知，反光杯口徑越大，出射光線發(fā)散角越小，光線能量越集中，射程越遠。反光杯對于發(fā)散角比較大的光線可以很好的準直，LED光源的能量集中于發(fā)散角較小的光線中，因此，高度比較小時，只有很少的能量被投射到目標上，射程較短；隨著反光杯高度的增加，射程逐漸增加。反光杯高度比較大時，LED光源的光線在反光杯內(nèi)被多次反射，顯而易見，系統(tǒng)光展量變大，出射光線發(fā)散角變大，射程開始降低。

值得注意的是，雖然擴展光源在大口徑反光杯的準直下射程更遠，但是，由于光線聚焦，近距離的光斑中心光線強度極低，圖3所示是反光杯口徑為100 mm、高度為100 mm時1 m、2 m、5 m和10 m目標面上的光斑，可以發(fā)現(xiàn)，1 m中心照度幾乎沒有光線，1～10 m內(nèi)照度也不符合照度定律。這意味著，在應(yīng)用反光杯準直LED等擴展光源時，不可避免地會有光線聚焦，導致近處光斑中心照度低，出現(xiàn)暗斑。我們發(fā)現(xiàn)，反光杯口徑越大，暗斑出現(xiàn)的距離越長。因此，雖然口徑為1 000 mm、高度為1 000 mm的反光杯可以使得尺寸為1 mm×1 mm、光通量為250 lm的LED光源的射程達到15 km以上，但是近處較長的距離上光斑中心均有暗斑，光線在15 km附近形成一個小的光斑，因此在實際應(yīng)用反光杯準直LED光源時，應(yīng)合理選擇反光杯尺寸，除了滿足射程要求外，也應(yīng)考慮到近距離上光環(huán)的效果。

圖3 目標面上光斑圖

2.2 光源大小對射程的影響

由2.1節(jié)可知，反光杯光學系統(tǒng)最佳口徑高度比出現(xiàn)在1∶1～1∶2 之間，本節(jié)給定反光杯開口直徑為100 mm，高度為100 mm，仿真1 mm×1 mm、2 mm×2 mm和4 mm×4 mm三種光源的射程，光通量分別是250 lm、1 000 lm和4 000 lm，截取50 m處目標面上的最大照度值計算射程，結(jié)果如表1所示?？芍?，改變擴展光源大小，射程雖有增加但相差不大，說明無法增加光源面積(增加LED排列數(shù)量)有效增加系統(tǒng)射程，反而造成光源能量利用率。我們注意到，改變光源尺寸，目標面上光斑直徑發(fā)生了變化，增大LED光源面積，目標面光斑直徑增加。如圖4所示，在相同距離時不同光源尺寸的光斑大小，光源面積增大一倍，光斑面積相應(yīng)地約增加一倍。

圖4 不同光源尺寸下的光斑大小

表1 50 m目標面上光斑直徑

反光杯是針對點光源設(shè)計的，只有光源中心的點嚴格平行出射，而LED上的其他等效光源點(面光源可以看成是無數(shù)點光源組成的)出射的光線是旁軸光線。如前所述，在將LED應(yīng)用于遠程照明時，物高的影響被放大，光線投射到光斑外圍，對應(yīng)幾何光學像高。由此可知，增加LED面積幾乎不可能改變射程，但是可以增大照明面積。這在手電筒等照明設(shè)備研制上有重要意義。

3 結(jié)論

本文基于TracePro仿真了LED光源在拋物面型反光杯下的有效射程，研究發(fā)現(xiàn)：

1)對于給定LED光源，射程與拋物面型反光杯的口徑和高度存在關(guān)系：高度相同時，反光杯口徑越大，射程越大；口徑相同時，射程隨反光杯高度增加先增大后減小。

2)應(yīng)用反光杯準直LED 光源，一定距離內(nèi)的光斑中心光強較低。

3)LED 光源的尺寸直接影響目標面光斑的大小，射程增加很少。

綜上所述，在使用拋物面型反光杯準直LED 光源時，可以通過增大反光杯尺寸獲得最遠照明效果，而無法通過增大光源面積有效增加射程。