LED移动照明系统的光学设计和仿真研究照明系统反光杯的光学设计和仿真研究.docx
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LED移动照明系统的光学设计和仿真研究照明系统反光杯的光学设计和仿真研究
本科毕业设计（论文）
LED移动照明系统的光学设计和仿真研究
——照明系统反光杯的光学设计和仿真研究
学院物理与光电工程学院
专业光信息科学与技术
年级班别2005级
（2）班
学号3105010052
学生姓名梁德平
指导教师苏成悦
2009年6月
LED移动照明系统的光学设计和仿真研究
梁德平
物理与光电工程学院
摘要
本文简要介绍了多种实际应用的LED光源和LED光源常用的反光杯，并对日常用的反光杯进行建模。
本文着重的是LED光源及其反光杯的设计、仿真及改良。
对整个LED照明系统进行仿真，分析其配光曲线和光照度分布图。
在设计LED光源的光学系统时，要考虑LED芯片的几何尺寸，所要模拟的面光源大小，亮度要求和照度要求。
设计的光学系统尽可能贴近实际，尽量的反映了实际应用的情况。
在对反光杯的设计时，分析了反光杯不同的几何结构对照明系统的光照度分布的影响。
并对不同的应用情况，对反光杯进行不同的改良。
本文介绍了如何使用TracePro光学分析软件来设计及仿真LED照明系统，TracePro软件在对实体模型的光学分析上有很大的优势。
着重介绍了如何使用TracePro来设计，和分析整个LED照明系统。
LED照明系统有多种的可能，本文只提出几种设计方案，并尽可能使用光学分析软件来实现仿真。
使用TracePro软件来进行实体建模，需要注意的是TracePro只适用于简单的实体建模。
对于复杂的实体模型，需要借助其他的CAD软件完成，然后导入TracePro中进行光学分析。
关键词：
LED光源，反光杯，照明系统，TracePro
Abstract
ThispaperintroducesawiderangeofpracticalapplicationsoftheLEDlightsourceandit’sreflector,what’smorewemodelitintheTracePro.ThisarticleisfocusedonLEDlightsourceandthereflectordesign,simulationandimprovement.WesimulatetheentireLEDlightingsystem,andanalyzetheirlightcurvesandthedistributionofillumination.InthedesignoftheopticalsystemsoftheLEDlightsource,itisnecessarytoconsiderthegeometryoftheLEDchip,thesizeofthesourcewhichwewanttosimulate,brightnessrequirementsandilluminationrequirements.Thedesignoftheopticalsystemmustbeascloseaspossibletoreality,asfaraspossiblereflectsthesituationinpracticalapplications.Inthedesignofthereflector,weanalyzethedifferentofthegeometryofthereflectorhowtoimpactthedistributionofilluminationofthelightingsystems.Andmakethedifferentimprovementsforthedifferentreflector.
ThisarticledescribeshowtousetheopticalandanalysissoftwareTraceProtodesignandsimulatetheLEDlightingsystems,TraceProsoftwarehaveagreatadvantagetomodelandanalyzetheopticalsystems.WefocuseonhowtousetheTraceProtodesign,andanalyzetheentireLEDlightingsystem.ThereareavarietykindsoftheLEDlightingsystemspossible,thisarticleonlyintroducesafewdesign,andasfaraspossible,usingopticalanalysissoftwaretosimulate.WhenweusetheTraceProtomodeltheopticalsystems,woshouldbenotedthattheTraceProonlyappliestosimplemodeling.Aswewanttomodelacomplexopticalsystems,weneedtouseotherCADsoftware,andthenimportTraceProtocarryout.
Keywords:
LEDlightsource,reflector,LightingSystems,TracePro
1绪论
1.1前言
半导体照明作为一种新兴的产业正在蓬勃发展。
LED（lightEmittingDiode），发光二极管，逐渐成为一种重要的照明光源。
LED技术开始于二十世纪六十年代。
最初的LED，由于发光效率低、颜色单一等因素限制，只能用在仪器指示上。
随着材料科学技术的进步，LED芯片技术在40年来有了重大的进展。
1993年日本日亚公司率先在蓝色GaNLED技术上突破，并且在1996年实现白光，使得LED应用在照明方面成为可能。
LED具有体积小、重量轻、耗能少、寿命长、响应时间短及抗震性能好的优点。
因此LED的研究引起各国的高度重视而得到迅速的发展[1]。
LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。
近年来，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。
美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。
我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。
随着LED技术的飞速发展，LED光源的应用也越来越广泛，从显示领域逐渐扩展到照明领域，LED照明灯具的设计也越来越受到光学设计人员的重视。
在照明领域目前国内常用的光学软件主要分为两类：
照明工程设计软件和光学器件设计软件。
照明工程设计软件的作用是依据现有配光分布确定的标准化灯具为用户设计一套方案，提供相应的视觉需求。
例如，DIALux、OxyTech、Agi32等就是比较常用的照明工程设计软件；光学器件设计软件的作用是依据光源的特点及期望的光学效果设计出相应的光学器件，例如LED用反光杯和透镜。
目前，做光学器件设计的常用软件有ZEMAX、TracePro、ASAP、LightTools等[2]。
在选择软件的时候，要根据需要决定。
市政设计院、道路照明工程公司主要使用照明工程设计软件，而灯具厂家主要使用光学器件设计软件。
而且，即使是同类设计软件，其侧重点也不同。
例如，TracePro用来做反光杯、反光罩设计比较方便，但用来做透镜设计就很困难；而ZEMAX比较擅长做透镜的设计。
在实际设计中，有时需要将不同软件结合起来使用。
而本论文侧重于对LED的封装及其反光杯的研究，所以本论文只使用TracePro来完成设计。
1.2LED发光机理及结构[3]
1.2.1发光机理
发光二极管的结构也是半导体PN结，通常是双异质结（同型异质结p-p或n-n和反型异质结p-n共同组成）。
结与结之间是产生荧光的复合区，叫有源区。
对PN结正向注入电流，P区空穴向有源区扩散，N区电子向有源区扩散，结果电子与空穴在有源区复合，以一定频率的光能释放出来。
但其载流子的复合过程有其特别的地方。
载流子的复合机构有：
直接符合——导带中的电子直接跃入价带与空穴复合：
间接复合——载流子通过晶体中的杂质或者缺陷所形成复合中心的复合。
LED与LD的根本区别在于：
LED发光是基于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光；LD是靠两端解理面为谐振腔起反射作用来提供光的反馈，是基于受激辐射，发射的是相干光——激光。
LED的体积小，结构简单，耗电少，寿命长，造价低，是应用广泛、前景诱人的重要光源。
1.2.2LED的材料与结构
发光二极管的材料主要是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，如GaP、GaAs、GaN等，有直接跃迁型和间接跃迁型之分。
间接跃迁型材料的电子-空穴复合时，出放出光子外，还伴随有晶格振动，其发光效率比直接跃迁型要差。
GaP属于间接跃迁型，GaAs、GaN是直接跃迁型。
其中GaP，Eg=2.24eV，峰值波长555nm，绿光。
GaP：
ZnO，GaP中掺锌、氧，峰值波长700nm，红光。
GaP：
N，掺N量不同，可发绿光（568nm）或黄光（590nm）。
GaAs，Eg=1.43eV，峰值867nm，近红外光。
GaN，LED的有源层是INGaN多量子阱，随组分的差异可发蓝光（450nm）和发紫光（400nm）。
InGaAsP，峰值波长1.3µm。
为提高LED性能，一般采用双异质结、量子阱结构。
发光二极管又可分为面发光型和边发光型。
面发光型的出光面与PN结构平面平行。
边发光型是从PN结的一个端面（与结平面垂直）出光。
面发光型LED的光功率较边发光型大，但出光面大，光发光角度也大，且由于全反射现象，与光纤耦合很差。
边发光型LED出光面很小（0.2µm×2µm）与光纤耦合容易。
半导体材料往往折射率较高，如GaAs，n≈3.6。
故在材料与空气的界面易发生全反射，使光不能辐射出去，如图1.1（a）所示少部分出射光的发光角度也较大。
图1.1（b）、（c）都能有效地增加光输出。
图1.1（c）用透明的高折射率（n≈1.5）塑料密封，头部铸塑成半球形，输出比（a）约增大三倍。
因造价低，故大量采用。
（a）大部分全反射（b）加微小透镜（c）塑料封装
图1.1LED的结构
1.2.3LED的工作特性
1、光谱特性
LED的发光光谱决定于PN结材料的能带结构。
LED发出非相干光，故其谱线宽度在几十到上百微米，用作彩色显示的LED，红、绿、蓝色彩鲜明。
2、P-I特性
LED的工作电流一般在十到数十毫安，发射功率一般是几百微瓦到豪瓦量级。
P-I特性曲线的线性区很宽，无阈值电流。
在电流较大时，PN结发热，发光效率较低，出现饱和现象。
如图1.2所示。
图1.2P-I特性曲线
1.3LED光源反光杯的结构
LED光源反光杯的设计也就是LED光源的二次光学设计。
二次光学设计的目的在于调节LED光源所发出的光线在空间中的分布，主要起到聚光作用。
常用LED光源反光杯可以分为以下几类：
1、二次曲面反光杯
该种类型中包含有球面、抛物面、椭球面、双曲面四种。
日常使用球面和抛物面作物反光杯。
如图1.3所示。
图1.3球面和抛物面反光杯结构图
2、矩形反光杯
矩形反光杯由两个相互垂直的混合凹槽反光曲面构成。
与二次曲面反光杯相比该类型反光杯并不是旋转对称轴，这有利于光能向某一方向集中。
常用作投光灯的反光杯。
如图1.4所示。
图1.4矩形反光杯
3、自由曲面反光杯
该类型多用于室内照明和汽车前车灯，它主要由多个曲面构成，多呈对称分布。
如伞状曲面和汽车车灯的混合曲面。
如图1.5所示。
（a）曲面一（b）曲面二（c）曲面三
图1.5三种常见自由曲面发光板
1.4本论文主要完成的工作
在本论文中，我们使用TracePro对某一高亮度的警用手电筒进行反向的仿真，按照其光学系统的各部分参数进行实体建模和材料及表面属性的设置，模拟得出其在照明平面上的光照度分布。
我们通过对仿真结果及实际情况的光照度分布进行了比对，并对TracePro的仿真度进行评价。
1、根据LED光源芯片的发光模型，利用TracePro进行光学建模，完成LED光源的一次光学设计。
然后，根据实际使用的一个LED光源反光杯的模型进行建模，完成LED光源的二次光学设计。
最后对整个LED照明系统进行光线追迹，对其光照度分布图和坎德拉分布图进行分析。
2、实验测量实际使用的LED照明系统的光强分布，与仿真模拟的光照度分布图做对比，对TracePro的仿真度进行评价。
3、对LED的封装结构的不同对光强分布的影响进行分析研究。
对LED光源反光板的内壁表面属性进行自定义，模拟出表面凹凸的散射效果，并对其光照度分布进行分析。
2照明技术理论基础及常用光学材料简介
2.1照明技术[4]
2.1.1光度量
发光强度（luminousintensity）点光源向观察方向微小立体角内发射的光通量除以该立体角元，单位：
cd
光通量（luminousflux）发光强度为I的光源在立体角元dΩ内的光通量为dΦ=IdΩ，单位：
lm
光亮度（luminance）在表面的一点和给定的方向上，面元的发光强度除以该面元在垂直于所给定方向的平面上的正投影的面积，单位：
cd/㎡
光出射度（luminousextiance）在表面上的一点，离开面元的光通量除以该面元的面积，单位：
lm/㎡
光照度（illuminance）在表面一点，入射到面元上的光通量除以该面元的面积，单位：
lx
2.1.2光源和灯具
光源（lightsource）由于能量的转变而能发光的表面或者物体。
一般均指人工光源。
反光杯（reflector）主要利用反射现象改变光源的光通量空间分布的装置。
漫射器（diffuser）主要利用漫射现象改变光源的光通量空间分布的装置。
探照灯（serchlight）通常口径在0.2m以上，发出大致平行的光束的投光器。
聚光灯（spotlighting）通常口径在0.2m以下，发出开角在20°一下的光速的投光器。
泛光灯（floodlighting）通常为投光照明而设计，使指向为任意方向的投光灯。
灯具效率（luminanceefficiency）在规定条件下测得的灯具所发射的光通量与灯具内所有裸光源测得的光通量已和的比值。
2.1.3照明一般术语
配光（luminousintensitydistribution）光强在各个方向的分布。
配光曲线（luminousintensitydistributioncurve）在包含光源的某一平面内，光源各个方向的光强用矢量大小来表示并将矢量端连接起来的曲线。
配光曲线光束角的定义方式有两种：
一种是由（美国）国际照明学会定义的标准，以最大光强的十分之一时的角度为光束角；另一种是由（欧洲）国际照明委员会定义的标准，以最大光强的一半时的角度为光束角。
其中，我们国家以欧洲国际照明委员会为标准。
在本篇论文中，我们所涉及的发光角度为两倍的光束角。
如图2.1所示两种不同标准的发光角度的读取。
（a）极坐标配光曲线（b）直角坐标配光曲线
图2.1发光角度的读取
由上图我们可以读取到发光角度为150°（美国标准）或80°（欧洲标准）。
等照度曲线（isoluxcurve）在受照平面图上将照度相等的点连接起来的曲线。
它与地图上的等高线概念相同。
等光强图（isocandeladiagram）等光强曲线群。
照明利用系数（coefficientofutilization）到达工作面上的光通量与光源发出的总光通量之比。
2.2照明光学系统的特点[5]
照明光学系统属于一种非成像光学系统，它不同于传统的成像光学系统，它注重于能量的分配而不是信息的传递。
表2.1列出了照明光学系统与成像光学系统的区别。
照明光学系统可以分为三个部分：
光源、光学系统、照明平面。
对绝大多数照明光学系统来说，对照明面的要求多是光照度的要求。
因此，计算光源发出的光线通过光学系统后在照明面上产生的光照度分布是十分必要的。
表2.1照明光学系统与成像光学系统的区别
照明光学系统
成像光学系统
设计思路
必须考虑光源（如LED发光面元）的尺寸，需要照亮的往往是一个立体空间
不太考虑物方空间的亮度分布，在像方一般四成一个平面像
评价方法
没有物像共辘系统，在照明区域中任意一点的照度都是由光源上许多点发出的光能通过照明系统分配后叠加形成的，用光照度图和空间光强分布图进行评价
物像空间有着相应的点与点对应的共扼关系，故可在视场中心和边缘选取几个抽样点，追迹光线到相应的像点，用垂轴像差、点列图或光学传递函数对系统的成像质量进行评价
系统结构
其形式是多种多样，如汽车前照灯的配光镜，通常是由许多面型大小各不相同的柱面镜组合起来的，从灯丝发出的任意一条光线只通过一个柱面镜，这些柱面镜就构成了一组非顺序光学面，对非顺序光学面的数学处理和光线追迹要复杂得多
虽然可以非常复杂。
但在绝大多数情况下可以把其中的各光学面作有序排列，所有光线均按此顺序逐一通过各面
2.3常用光学材料的简介[6]
常用光学材料包括光学玻璃、光学晶体、光学塑料三大类。
2.3.1光学玻璃
1、无色光学玻璃
无色光学玻璃按照国家标准GB903-87的规定分为两个系列：
（1）普通光学玻璃系列；
（2）耐辐射光学玻璃系列。
根据不同的折射率和色散系数，无色光学玻璃分为18种类型。
如氟冕玻璃代号为FK，轻冕玻璃代号为QK，冕玻璃代号为K，火石玻璃代号为F，重火石玻璃代号为ZF。
2、有色光学玻璃
有色光学玻璃按照着色剂的种类不同，可分为硒镉着色玻璃、离子着色的选择性吸收玻璃和离子着色的中性玻璃。
硒镉玻璃的着色剂是胶体状态的硒化镉CdSe和硫化镉CdS，他们以不同的比例加于玻璃中，由于胶体粒子对光的选择吸收，可以得到黄色JB、橙色CB、红色HB玻璃。
当着色剂以离子状态存在于玻璃中时，这类玻璃就成为离子着色玻璃。
离子着色剂主要是钴、镍、铜、锰、铀、钛等的氧化物。
2.3.2光学晶体
晶体材料可以分为天然晶体和人工晶体。
光学镜头可以用作偏光镜、红外和紫外的分光镜、复消色差镜头、闪烁晶体、窗口材料等。
常见有方解石、电气石、水晶、黄石等光学晶体。
2.3.3光学塑料
1、王冕光学塑料
PMMA，全称聚甲基丙烯酸甲酯，它具有优良的光学性能，可以与光学玻璃媲美，折射率与冕牌玻璃相近，故被人称为王冕塑料。
PMMA的透射率在91%至92%范围，折射率约为1.491，机器稳定性好。
虽然其线膨胀系数是玻璃的8到10倍，但不影响使用，温度下降后，还原能力良好，在加工中，易于模压成型。
TracePro的材料库中，包含的王冕光学塑料有：
PMMA、Lucite（甲基丙烯酸，俗称有机玻璃）、Acrylic（丙烯酸）。
2、火石光学塑料
由苯乙烯单体聚合制成的聚苯乙烯，属于热塑性塑料，折射率在1.578至1.6176之间，色散系数为30.2，透过率88%，相当于火石玻璃，被称为火石塑料。
在TracePro的材料库中，包含的火石光学塑料有：
Styrene（苯乙烯）、Dylene（聚苯乙烯）、Styron（肉桂塑料，抗腐蚀性聚苯乙烯）、Ploycarb（聚乙烯）。
3、环氧光学塑料
最近几十年来，光学塑料发展较快，研制出各种体系，其中之一，就是一环氧树脂为主体制成或者与之相近树脂制成的光学塑料，我们称之为环氧光学塑料。
TracePro的材料库中，包含的环氧光学塑料有：
AOC、COC（环状聚烯树脂）。
4、其他光学塑料
聚碳酸酯（Polycarbonate）常用缩写PC，是一种无色透明的无定性热塑性材料。
聚碳酸酯无色透明，耐热，抗冲击，阻燃，在普通使用温度内都有良好的机械性能。
同性能接近聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚碳酸酯的耐冲击性能好，折射率高，加工性能好。
由于其无色透明和优异的抗冲击性，日常常见的应用有光碟，眼睛片，水瓶，防弹玻璃，护目镜、银行防子弹之玻璃、车头灯等等。
其中在TracePro的材料库中就包含有这种光学塑料，在材料库中的名称为Lexan。
3光学分析软件的简介
3.1TracePro简介[7]
TracePro是一个实体模型的光学分析软件，TracePro用普适光线追迹技术来追迹光线，这种技术允许你引入光线到一个模型，而在物体和表面相交处并没有引起额外的损失。
在每个交点，个体光线遵从吸收、反射、折射、衍射和散射定律。
当光线在实体中沿不同路径传播时，TracePro跟踪没条光线的光通量。
TracePro计算光的吸收、镜面反射及折射、衍射和散射的能量。
下面列出开始一个新的TracePro工程所需要的一些步骤：
（1）创建一个实体模型。
第一步是建立或导入一个几何模型，代表你所希望的分析的系统。
（2）定义属性。
材料和表面属性代表你所希望的物体所具备的特征，如吸收、反射、折射、吸收和散射等。
你可以使用TracePro属性库里面定义好的材料和表面属性，也可以制定新的属性满足你具体的要求。
（3）应用属性。
一旦定义好属性，你可以应用这些属性刀你模型中的合适物件和表面上去。
（4）追迹光线。
通过实体进行光线追踪，需要定义光线起点，有如下几种定义方式：
栅格光源、表面光源和导入已有光源。
如何引入光源到模型以及哪些光线追迹参数会被盗用，须根据实际情况来确定。
（5）分析。
一系列的分析选项可以用来确定方位、区域和光线追迹后的光能量分布。
分析选项有很多种，包括：
辉度图、照度图、坎德拉图和通量图，还有详细光线历史信息，他们可以保存成数据文件，方便后期处理。
3.2TracePro的使用
3.2.1软件的打开和权限的选择
在开始菜单中点击TracePro的打开方式。
如图3.1所示。
图3.1TracePro打开方式
点击打开软件后，出现软件的使用权限选择框，按你所购买的软件权限选择标准或者专业用户。
权限的不同功能有所区别。
如图3.2所示。
图3.2TracePro权限选择
3.2.2用户界面
进入软件后，将出现软件的图像化用户界面，如图3.4所示。
图3.3TracePro用回界面
图3.4TracePro菜单
用户界面的最顶部为TracePro的菜单栏，它包含了软件的全部编辑工具和各类功能，分别是文件、编辑、视图、插入、定义、分析、报告、工具、宏命令、窗口和帮助。
如图3.6所示。
TracePro的工具栏为用户提供了丰富的快捷按钮，包含各类的常用工具。
如文件的编辑工具、实体模型视图的显示工具、窗口的排列选择工具、实体建模的工具、光学追迹及光学分析工具。
用户界面的中间部分为模型窗口，其中模型窗口的左边为系统树，它分级结构显示模型的物体和表面。
在复杂的模型中，它提供一种方便快捷的方式来对物体和表面进行选取。
模型窗口的右边为工作窗，它显示了模型的3D实体图形及系统坐标
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