發(fā)光二極管汽車led外光學系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化

發(fā)光二極管汽車led外光學系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化

1基于紫外光電極照明的道路照明目前，這種分光矩陣廣泛應用于交通燈、紅燈、室內(nèi)廣告燈、戶外廣告燈、cd光存儲等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)照明光源相比,發(fā)光二極管發(fā)光效率高,耗電量少,使用壽命長,開關(guān)時間短,安全環(huán)保并且體積小易開發(fā)成輕薄短小的產(chǎn)品?；诎l(fā)光二極管的這些優(yōu)點,將其應用于道路照明將具有廣闊的應用前景。目前,采用發(fā)光二極管做照明光源制成的節(jié)能型道路照明燈具,方法、結(jié)構(gòu)復雜,難以投入生產(chǎn)實用。論文的目的是針對LED節(jié)能型道路照明燈具進行二次光學設(shè)計,采用合理的外光學系統(tǒng),改善燈具的光學性能,使得燈具的照度分布滿足要求的同時,保證照明器件結(jié)構(gòu)簡單,拆裝方便。2非序列光照追跡系統(tǒng)照明光學系統(tǒng)屬于非成像光學系統(tǒng)之一,是從能量傳遞規(guī)律的角度對光學系統(tǒng)進行研究。LED光學系統(tǒng)設(shè)計即屬于非成像光學系統(tǒng)的設(shè)計,包括器件內(nèi)的光學設(shè)計和器件外的光學設(shè)計。器件內(nèi)的光學設(shè)計涉及芯片、反射鏡和封裝芯片的光學透鏡,因此內(nèi)光學設(shè)計主要影響LED芯片的光提取效率和出射的光能量分布;外光學設(shè)計即指封裝結(jié)構(gòu)之外的光學系統(tǒng)設(shè)計,也稱LED的二次光學設(shè)計,其目的是在封裝結(jié)構(gòu)外增加反射或投射等結(jié)構(gòu)使得空間光強分布滿足實際需求。根據(jù)光線在光學系統(tǒng)內(nèi)的傳播方式,計算機軟件光學設(shè)計的幾何光線追跡有兩類,即序列光線追跡和非序列光線追跡。成像系統(tǒng)通常用序列光線追跡來設(shè)計。序列光線追跡的光線射到每一個光學表面的順序都是已知的。在非序列光線追跡系統(tǒng)中,光線與界面相交的順序是未知的,它通常用于非成像系統(tǒng),例如光纖光導、照明系統(tǒng)和汽車前燈等。計算機軟件中,常用的計算照度的方法是蒙特卡羅方法,適用于點光源和擴展光源照明光學系統(tǒng)。它是通過追跡大量的光子來決定照度的,可以從光源到接收器或從接收器到光源來進行光子路徑追跡。用一個二維陣列把接收面分成許多矩形小方格,光線從光源的不同點發(fā)射出來,通過光學系統(tǒng)后入射到接收面上,于是每一個小方格都能接收到一定數(shù)量的光線。給定照度點的照度值的準確度依賴于圍繞此點的小方格所收集到的光線的數(shù)量。方格越小,對照度的分布情況描述得越好。但要獲得一定的精度,必須追跡大量的光線。蒙特卡羅的模擬方法既可以較精確地求解一個光學結(jié)構(gòu)模型,不但給出具體、形象的光分布結(jié)果,而且通過對光學結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行修正可以很容易地看出修改所產(chǎn)生的對光分布的影響,把這種影響反饋到對光學結(jié)構(gòu)的修正中。論文采用OpticalResearchAssociates公司開發(fā)的仿真模擬軟件Lighttools進行模擬和研究設(shè)計。該軟件是采用非序列光線追跡的計算機軟件。LED器件的第一和第二光學系統(tǒng)設(shè)計通常都用非序列光線追跡。該軟件能夠完成的主要功能包括:系統(tǒng)建模;光機一體化設(shè)計;復雜光路設(shè)置;雜光分析和照明系統(tǒng)設(shè)計分析。論文中使用軟件版本為V5.1.0。結(jié)合論文,采用照明設(shè)計軟件Lighttools進行LED陣列光源的二次光學設(shè)計,按下面的步驟來進行LED照明的設(shè)計:(1)確定LED光源數(shù)目和排列方式,設(shè)計LED光源形狀,設(shè)置其參數(shù);(2)加光學元件,放置光源在合適的位置;(3)采用照明設(shè)計軟件進行照明計算,包括被照面上光照度的計算,空間各點光強的計算和總的光通量的計算等;(4)檢查燈具的配光中的各項參數(shù)是否滿足預定要求;(5)如未達到設(shè)計要求,針對配光曲線中尚未滿足的部分,再次進行計算,反復修改。3led陣列照明光柵的模擬仿真評價道路照明的好壞,一般有以下四項指標:(1)照明水平;(2)照明均勻度;(3)眩光限制;(4)道路照明的誘導性。在國家標準中,給出了亮度和照度兩套指標,包括平均亮度(照度)、亮度(照度)均勻度、眩光限制以及誘導性。對LED道路照明燈具進行二次光學系統(tǒng)設(shè)計,其意義在于改變燈具的光度指標,從而改善道路照明的照明均勻度和眩光等指標,由于這里的光源在垂直于車輛行駛方向的照度完全可以滿足要求,所以主要考慮沿車輛行駛方向的縱向照明均勻度?？v向均勻度的定義為在通過觀察者位置的平行于道路軸線的線上路面最小亮度Lmin與路面最大亮度Lmax的比值,即Lmin/Lmax。它對視舒適影響極大,如果這個亮度不均勻,在路面上會連續(xù)反復出現(xiàn)一系列亮與暗的橫帶,稱之為“斑馬效應”。司機出現(xiàn)此效應,特別感到煩躁。采用Lighttools對14×16個排列成平面矩形陣列的LED光源進行模擬,圖1為得到的路面照度分布圖。X軸為道路上沿車輛行駛的方向(以下稱縱向),Y軸為與其垂直的方向(以下稱橫向)?？紤]路面上38m×11m范圍內(nèi)的照度分布。因此,Y軸方向上的照度值完全可以滿足要求。而X軸上的邊緣照度值較小,因此照度的均勻度不能滿足要求,而且容易造成眩光。這里要采用一種透射元件,放置在LED陣列照明光源的前方,使得光源的出射光線,在路面上沿車輛行駛方向(X軸)的均勻度有所改善。用Lighttools進行多次仿真模擬表明,在上述LED陣列照明光源前放置棱鏡、透鏡、柱面鏡及柱面鏡陣列,均由于其本身尺寸及結(jié)構(gòu)的限制不能有效地改變路面照度分布。最后采用一種類柱面(直條形)菲涅爾負透鏡的散射元件。由于菲涅爾透鏡可以看作由許多微型棱鏡構(gòu)成,顯然棱鏡的頂角越大對光束的偏折作用也就越大,而對于菲涅爾透鏡,其中心部分棱鏡頂角比較小,邊緣部分棱鏡頂角比較大。但是對于LED陣列照明光源來說大多光線都集中在LED陣列光源前方的中部,所以這里采用的元件與柱面菲涅爾負透鏡不同,該元件每個齒的傾斜角度相同,且此元件左右對稱,如圖2所示。這樣的結(jié)構(gòu)可以將比較集中的光線向兩邊散射。如圖3為采用該元件調(diào)整照度分布時,得到的路面照度的仿真模擬結(jié)果圖?？梢钥闯鲈撛氖褂檬沟寐访娴倪吘壣系墓鈴娪兴黾?。圖1中,X軸上照度在3lx以上的路面范圍有28m,使用該元件后,X軸上的照度在3lx以上的路面范圍增加到了32m。為了加強元件對光的散射作用,采用兩個相同的該元件,齒尖對齒尖粘合而成。該結(jié)構(gòu)還可以避免粉塵落在散射結(jié)構(gòu)的表面從而影響散射效果。其模擬結(jié)果如圖4所示,可以看出圖1中的中心亮斑被分成了兩個亮斑,在沿車輛行駛的方向,光斑被拉長,所以與圖3的情況相比較,其照度分布的中心均勻度也相應變得更好,但是中心區(qū)域的亮度突然降低,可能會導致眩光,不利于駕駛者行車安全。在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再次進行改進。使光源陣列和散射元件以其中心線分為左右兩個并分別向左右傾斜一個角度,如圖5所示。其模擬結(jié)果如圖6所示,此結(jié)果是在散射元件距離光源20mm,兩個散射板間夾角為150°時得到的?？梢钥闯鲋行墓獍哌M一步被拉長,邊緣的亮度值也增大,同時中心為一個亮斑,不會發(fā)生圖4中的突變。在X軸方向上,光源覆蓋的范圍有所增大,40m邊緣的照度值增大到3lx。4小光照散射元件的應用根據(jù)以上的分析與設(shè)計,加工出兩片散射元件,每個元件其微結(jié)構(gòu),即其齒的傾角方向和大小都相同,然后將兩個元件粘合,如圖7所示。該元件即為圖5所示兩散射元件其中之一。這里,實驗所采用元件,其齒的傾斜角為45°。圖8為實物圖。實驗時與模擬時不盡相同,有兩種光源可供選用。一種為2×3個LED的小光源,另一種為16×16個LED的大光源。由于采用小光源進行實驗比較方便快捷,而且其結(jié)果可以反應一定的實際問題,所以以小光源進行初步的實驗驗證。以下采用2×3個發(fā)光二極管小光源來驗證散射元件結(jié)構(gòu)的性能。將散射元件放置在距離小光源28mm的正前方處,測量距離光源2.5m所在平面的光照度,選取的測量點在假定為車輛行駛方向上的一條直線上,每個點相距20cm,其結(jié)果經(jīng)過規(guī)一化處理后如圖9所示。X軸為道路橫向方向,單位為cm,0處為與光源中心點正對的測量點。Y軸為某點處照度相對值。該圖中,曲線1為光源的相對照度曲線,曲線2為光源經(jīng)過散射元件后得到的相對照度曲線。對比兩曲線可以看出單片的散射元件可以使得光斑的中心照度值,偏移60cm,從而使得照度分布的均勻性相應得到改善。下面采用大光源進行實驗驗證。將散射元件放置在光源前方,與上述實驗相同,測量距該照明系統(tǒng)一定距離(12m)處的平面上一條直線上的照度值。從燈具中心向路面作垂線,其交點作為0點。在此直線上,每隔1m進行一次照度測量。然后讀取數(shù)據(jù)并進行規(guī)一化處理。得到的結(jié)果如圖10所示。圖中點線為原光源的相對照度曲線,實路面曲線為在其前方放置散射元件后得到的路面相對照度曲線。以光源中心向路面做垂線,其交點為圖10中的0點。圖中的X軸代表路面上點到燈投影點的距離,單位為m,Y軸為相對照度值。可以看出,散射元件使得路面照度的均勻性有了較大的改善。在中心區(qū)域出現(xiàn)了兩個峰值,這說明散射元件使光線向兩個相反方向發(fā)散,使得路面上-9～+12m的范圍內(nèi)的照度值變化幅度在20%之內(nèi),同時中心亮