大功率LED集成光源的一次光学设计与优化(3)
时间:2019-01-25 14:32 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
一次光学设计是二次光学设计的基础，其主要 目的就是增大LED光源的出光效率，使芯片发出的光满足特定的光强分布，但目前文献中仅对单颗或者COB形式的光源进行了设计，多杯集成封装的出光模拟文献较少。 本文主要从逐一通过改变曲率半径、反光杯顶端半径r1和底部半径 、深度h和硅胶折射率n几个变量来获得各个参数的最优值，找到这些光学参数对出光效率和光强分布的影响规律。 Zemax(Tracepro 用的是Zemax软件，按照ZEMAX的介绍改写红色部分)是一款由美国Lambda Research公司开发，基于Monte Carlo的非序列光线追迹光学仿真软件，要用于照明设计和杂散光分析，可以将真实立体模型与光学仿真分析紧密结合起来。本文首先通过对比模拟与实测单颗芯片的光强分布曲线来证明基于此设计方法的准确性，然后将其应用于多芯片的集成光源设计。LED光源的一次光学设计主要是针对芯片封装的出光效率和光强分布而进行的，本设计实验中对出光效率和光强分布的主要影响因素为曲率半径、反光杯顶端半径和底部半径、深度h、硅胶折射率n几个参数，故设计过程中采取固定其中几个变量、改变单变量的方法来获得每个参数的影响规律，得到每个参数最优值后，逐步优化，从而得到整体性能的最优值。模拟过程中得到的相关参数的影响规律对于实际的生产都具有一定的参考意义。 1.2 研究现状和发展趋势 1.3 文献综述 2反光杯设计基本原理 2.1 高效反射器的原理 图1为极坐标系中的抛物线方程.F为抛物线PQ的焦点，FX, FY为极轴， 为最大接收角，R为入射口半径，P为极坐标极径.根据抛物线定义:到顶点距离与定直线距离相等.即抛物线上任一点到焦点距离等于到定直线(x =一p/2)的距离.由图1中可得， 定值其中P为常数、m为抛物线上任一点在X轴上的截距.若将抛物线视为反射面，则平行光经抛物面反射后，汇聚到焦平面上.根据光路可逆性原理，若将光源置于焦点位置，从抛物面出射的光线将是较完美的平行光.抛物面的这一特性被广泛用于各照明设计中. 2.2高效LED反光杯的结构 基于抛物面平行出光的特点，现取两条抛物线A和B，其对应焦点为F和F2，对称轴为1'和2'.现将抛物线A绕F1逆时针旋转 ，抛物线B绕F2顺时针旋转 ，则旋转后的对称轴变为1和2. F2C和F1D分别平行轴1和轴2,抛物线段F1C和F2D关于Y轴对称并绕Y轴旋转180 °，形成的三文图形即为CPC.经过旋转之后，CD是CPC光线入射口的直径，F1F2是CPC焦平面的直径， 是CPC的最大聚光角[s} 把入射光线与Y轴的夹角 定义为入射角，当 时，入射光线经一次反射全部汇聚在焦平面上，由此把 的光能量全部收集到焦平面上，这就是CPC的聚光原理[s]. 2.3 效反光器的设计 （1）聚光比 通过上述分析知，对于在TP中的建模来说，最大聚光角、焦距f、入射口径:、出射口径a以及长度l是CPC设计中的关键参数，决定了其结构和性能.对于一个聚光器，我们定义聚光比为: 其中Aentry为入射光束的截面积，Aexit为出射光束的截面积;C越大，聚光效果越好当C取最大值时，即对应的最大接收角 最小.接收角定义为边缘光线被反射器反射一次后出射在接收器边缘时，入射光线与垂直方向的夹角 （2）CPC关键参数的计算 图3为极坐标系中CPC的剖面图.其中，O为抛物线O'K的焦点，f为焦距，OX为极轴，R为抛物线O'K上任一点A所对应的极径，价为所对应的极角，O'为抛物线O'K的顶点，则抛物线O'K的极坐标方程为: （2）当R=2a时，则 =90+ ，代入公式（4）得焦距： （3） 由(3)式可知，当焦平面半径确定时，只要确定了最大聚光角，就可以求出焦距f了，反之亦然. (责任编辑：qin) |