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发光二极管汽车led外光学系统的设计与优化 1 基于紫外光电极照明的道路照明 目前，这种分光矩阵广泛应用于交通灯、红灯、室内广告灯、户外广告灯、cd光存储等领域。与传统照明光源相比,发光二极管发光效率高,耗电量少,使用寿命长,开关时间短,安全环保并且体积小易开发成轻薄短小的产品。基于发光二极管的这些优点,将其应用于道路照明将具有广阔的应用前景。 目前,采用发光二极管做照明光源制成的节能型道路照明灯具,方法、结构复杂,难以投入生产实用。论文的目的是针对LED节能型道路照明灯具进行二次光学设计,采用合理的外光学系统,改善灯具的光学性能,使得灯具的照度分布满足要求的同时,保证照明器件结构简单,拆装方便。 2 非序列光照追迹系统 照明光学系统属于非成像光学系统之一,是从能量传递规律的角度对光学系统进行研究。LED光学系统设计即属于非成像光学系统的设计,包括器件内的光学设计和器件外的光学设计。器件内的光学设计涉及芯片、反射镜和封装芯片的光学透镜,因此内光学设计主要影响LED芯片的光提取效率和出射的光能量分布;外光学设计即指封装结构之外的光学系统设计,也称LED的二次光学设计,其目的是在封装结构外增加反射或投射等结构使得空间光强分布满足实际需求。 根据光线在光学系统内的传播方式, 计算机软件光学设计的几何光线追迹有两类,即序列光线追迹和非序列光线追迹。成像系统通常用序列光线追迹来设计。序列光线追迹的光线射到每一个光学表面的顺序都是已知的。在非序列光线追迹系统中,光线与界面相交的顺序是未知的,它通常用于非成像系统,例如光纤光导、照明系统和汽车前灯等。 计算机软件中,常用的计算照度的方法是蒙特卡罗方法,适用于点光源和扩展光源照明光学系统。它是通过追迹大量的光子来决定照度的,可以从光源到接收器或从接收器到光源来进行光子路径追迹。用一个二维阵列把接收面分成许多矩形小方格, 光线从光源的不同点发射出来,通过光学系统后入射到接收面上,于是每一个小方格都能接收到一定数量的光线。给定照度点的照度值的准确度依赖于围绕此点的小方格所收集到的光线的数量。方格越小,对照度的分布情况描述得越好。但要获得一定的精度,必须追迹大量的光线。蒙特卡罗的模拟方法既可以较精确地求解一个光学结构模型,不但给出具体、形象的光分布结果,而且通过对光学结构的参数进行修正可以很容易地看出修改所产生的对光分布的影响,把这种影响反馈到对光学结构的修正中。 论文采用Optical Research Associates公司开发的仿真模拟软件Lighttools进行模拟和研究设计。该软件是采用非序列光线追迹的计算机软件。LED器件的第一和第二光学系统设计通常都用非序列光线追迹。该软件能够完成的主要功能包括:系统建模;光机一体化设计;复杂光路设置;杂光分析和照明系统设计分析。 论文中使用软件版本为V5.1.0。 结合论文,采用照明设计软件Lighttools进行LED阵列光源的二次光学设计,按下面的步骤来进行LED照明的设计: (1) 确定LED光源数目和排列方式,设计LED光源形状,设置其参数; (2) 加光学元件,放置光源在合适的位置; (3) 采用照明设计软件进行照明计算,包括被照面上光照度的计算,空间各点光强的计算和总的光通量的计算等; (4) 检查灯具的配光中的各项参数是否满足预定要求; (5) 如未达到设计要求,针对配光曲线中尚未满足的部分,再次进行计算,反复修改。 3 led阵列照明光栅的模拟仿真 评价道路照明的好坏,一般有以下四项指标:(1) 照明水平;(2) 照明均匀度;(3) 眩光限制;(4) 道路照明的诱导性。在国家标准中,给出了亮度和照度两套指标,包括平均亮度(照度)、亮度(照度)均匀度、眩光限制以及诱导性。对LED道路照明灯具进行二次光学系统设计,其意义在于改变灯具的光度指标,从而改善道路照明的照明均匀度和眩光等指标,由于这里的光源在垂直于车辆行驶方向的照度完全可以满足要求,所以主要考虑沿车辆行驶方向的纵向照明均匀度。纵向均匀度的定义为在通过观察者位置的平行于道路轴线的线上路面最小亮度Lmin与路面最大亮度Lmax的比值,即Lmin/Lmax。它对视舒适影响极大,如果这个亮度不均匀,在路面上会连续反复出现一系列亮与暗的横带,称之为“斑马效应”。司机出现此效应,特别感到烦躁。 采用Lighttools对14×16个排列成平面矩形阵列的LED光源进行模拟,图1 为得到的路面照度分布图。X轴为道路上沿车辆行驶的方向(以下称纵向),Y轴为与其垂直的方向(以下称横向)。考虑路面上38m×11m范围内的照度分布。因此,Y轴方向上的照度值完全可以满足要求。而X轴上的边缘照度值较小,因此照度的均匀度不能满足要求,而且容易造成眩光。这里要采用一种透射元件,放置在LED阵列照明光源的前方