基于LED照明系统的反射器设计

摘要：介绍了发光二极管( Light Emitting Diode，LED) 二次光学设计的基本方法和理论，并利用TracePro光学模拟软件设计了一种基于LED照明系统的反射器。对该反射器的模拟分析结果表明，该照明系统能够实现均匀的照明，并能有效地实现对出射光的收集和定向控制。根据对实物成品的测试，其实际效果达到了预期的目的。采用标准高斯函数拟合，并用计算标准偏差的方法来评价光斑的形态和均匀度，计算的标准偏差值说明总体形态和均光效果基本符合要求。

关键词：发光二极管( LED)；二次光学设计；反射器；光学模拟

LED是本世纪最具有竞争力的新型固体光源，它具有效率高、光色纯、耗能低、寿命长、可靠耐用、无污染、控制灵活等特点。随着LED技术的不断完善，LED的光通量及光效不断提高，开始逐步进入照明领域。大多数LED光源所发出的光近似为朗伯型分布，这样的光分布在大多数情况下难以满足各种照明所需达到的性能指标。为解决LED作为朗伯型光源难以直接应用的问题，需对其进行光学系统的设计，对发出的光进行整形控制，以改变其光分布情况。如何将LED发出的光充分并合理利用成为当前光学设计的一大热点，二次光学设计在LED照明系统设计中起到了非常重要的作用。二次光学设计主要考虑的是照度以及光强的分布问题，这属于非成像光学设计。与注重光源信息传输的成像光学系统设计相比，非成像光学系统设计注重的是光源能量的利用和光分布情况。因此，LED照明系统的设计主要依靠该理论，尤其是在被照面上实现要求的光分布方面，非成像光学设计能起到决定性的作用。

1. LED二次光学设计方法

目前LED二次光学设计方法主要有经验法和求解法两种。经验法主要通过SolidWorks等机械三维建模软件绘制出光学元件的结构，将设计的结构导入TracePro等光学模拟分析软件中，通过非序列光线追迹来判断照明面上的照度及整个系统的光强分布。由于这种设计的随意性很强，设计者们往往需要多次修改光学元件的结构，多次模拟来完成设计，此类方法并不需要太多的理论计算，经验成了一个至关重要的因素。由于普通的球面透镜、反射器以及折光板等光学元件已经不能满足照明系统设计的要求，自由曲面就成为发展的必然趋势，如何得到合适的自由曲面已成为整个设计的最终目标。目前，主要使用偏微分方程求解法来获得此类自由曲面面型。由于求解难度大，往往通过数值计算和拟合来得到最后的面型。

2. LED照明系统反射器设计

照明系统一般分为反射型和折射型。折射型通常为透镜，其优点是能获得满意的光输出特性；其缺点在于，常用的透镜材料为PMMA，其透射率只有92%左右，制作成透镜之后，由于菲涅尔损耗和材料的吸收，将会有更多的额外光能损失，通常效率只有78%左右，而且设计较复杂，制作成本较高。反射型通常为反射器，其优点是设计相对简单，光能损失较小，通常效率高达90%以上，且制作成本较低;其缺点是光输出特性不如透镜。本文具体针对反射器设计的实例来详细地说明如何在实际工作中进行照明系统的设计。

2.1 光通量的估算

单颗LED的光通量较小，亮度较低，为了达到照明的要求，一般由多颗LED组合在一起形成面光源或者体光源。因此，为了确定光源必须先确定光源中包含的LED个数。根据被照面上光通量的分布来

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2.2 反射器建模和仿真

本文利用TracePro光学模拟分析软件进行模拟分析，设计的基本步骤如下:

(1)确定LED光源的数量；

(2)根据要达到的性能指标，计算初始模型的结构参数，并建立其三维模型；

(3)导入三维模型，建立光源并设置其参数，利用光学模拟分析软件进行模拟；

(4)对模拟结果进行分析，并比较模拟结果与要求性能指标之间的差异；

(5)根据模拟结果中未达到要求的部分，对相应参数进行反复修正，直到满足设计要求。

本文设计的反射器为54个单体结构通过交合形成的一个阵列结构，其中单体结构为旋转薄壁抛物体，上下底均有一定孔径大小的口径，图1(a)为单体结构剖面图，图1(b)为阵列结构图。下面简述初始结构参数是如何计算的。

图1.反射器结构

本文以20°的光线出光半角来估算，可得上底口径的半径为14.3mm，由此可得p=2.592mm。图2为5m远处的照度分布图，由照度分布图可知反射器的均光效果较好，基本符合高斯分布。图3为光强分布图，由光强分布图可知此反射器的发光半角约为6°左右，基本符合要求的发光半角。

图2.照度分布图

图3.光强分布图

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4.结论 

实物光斑照度分布的标准偏差为8.79，主要是反射器在制作过程中工艺存在一定的偏差，造成实物形状偏离抛物面，使实物产生的光斑不对称，加上阵列结构光斑是由单个反射器光斑叠加形成，存在光的不均匀性，故实测效果的照度分布和标准的高斯分布存在一定偏差是预料中的情况。光斑周围出现了过渡性的光线，这是由于LED出射光中一部分光线未经反射器的反射，直射光中角度较大的那部分光线形成的“光晕”现象。因此，本文认为实物光斑照度分布的标准偏差8.79是可以接受的。

LED光源在照明领域的应用越来越广泛，要使LED光源在这些不同照明领域得到大规模的应用，必须充分考虑LED自身的发光特点，进行相应的二次光学设计，不应该囿于传统照明系统设计思想的限制，应结合LED的发光模型进行透镜或者反射器等结构的设计。