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COB光源的窄光束均匀照明设计

黄从高 胡淼 张春洋 许蒙蒙 李齐良 毕美华 周雪芳

黄从高, 胡淼, 张春洋, 等. COB光源的窄光束均匀照明设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200224
引用本文: 黄从高, 胡淼, 张春洋, 等. COB光源的窄光束均匀照明设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200224
Huang Conggao, Hu Miao, Zhang Chunyang, et al. Narrow beam uniform illumination design of COB light source[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200224
Citation: Huang Conggao, Hu Miao, Zhang Chunyang, et al. Narrow beam uniform illumination design of COB light source[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200224

COB光源的窄光束均匀照明设计

doi: 10.11884/HPLPB202133.200224
基金项目: 国家自然基金项目(61705055);浙江省重点研发计划项目(2019C01G1121168)
详细信息
    作者简介:

    黄从高(1995—),男,硕士研究生,从事LED光源均匀辐射模拟器等方面研究;1458384574@qq.com

    通讯作者:

    胡 淼(1982—),男,教授,博士,从事大功率LED技术、激光技术研究;miao_hu@foxmail.com

  • 中图分类号: O432

Narrow beam uniform illumination design of COB light source

  • 摘要: 为了解决高功率白光LED光源输出高均匀度窄光束的问题,设计了一种由复合抛物面反射器、菲涅尔透镜和非球面透镜组成的照明系统。设计中以板上芯片型(COB)集成光源的配光曲线为依据构建光源仿真模型,由复合抛物面反射器实现大角度光线初次会聚之后,再由菲涅尔透镜控制溢散光,最后利用非球面透镜进行准直配光。采用TracePro进行蒙特卡洛光线追迹,根据仿真得到的系统性能指标,并研制出实物装置进行实验测试。最终测试结果表明:窄光束均匀照明系统可以输出±7.9°的光束,并且在距离系统出光面0.7 m左右的区域形成均匀度超过96%的圆形光斑,整体光效达到60%。
  • 图  1  系统设计方案图

    Figure  1.  System design scheme diagram

    图  2  CPC与FL设计原理图

    Figure  2.  CPC and FL design principle diagram

    图  3  CPC聚光光路图

    Figure  3.  CPC concentrated light path diagram

    图  4  非球面透镜设计原理图

    Figure  4.  Schematic diagram of aspheric lens design

    图  5  系统仿真装置模型图

    Figure  5.  Model diagram of system simulation device

    图  6  COB芯片配光前后坎德拉分布图

    Figure  6.  Candela distribution before and after COB chip light distribution

    图  7  不同距离远处的光度分布图

    Figure  7.  Luminosity distribution at different distances

    图  8  offsets变化对于均匀性和能量利用率的影响

    Figure  8.  Impact of offsets changes on uniformity and energy efficiency

    图  9  实物装置图

    Figure  9.  Physical installation diagram

    图  10  不同距离处光度分布图

    Figure  10.  Luminosity distribution at different distances

    表  1  光学系统仿真参数

    Table  1.   Simulation parameters of optical system

    parameterlens materialCOB diameter/mmsimulation wavelength/μmCPC reflectivity/%number of ray traces
    valuePMMA220.5495500 000
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-31
  • 修回日期:  2020-01-04
  • 网络出版日期:  2021-01-13

COB光源的窄光束均匀照明设计

doi: 10.11884/HPLPB202133.200224
    基金项目:  国家自然基金项目(61705055);浙江省重点研发计划项目(2019C01G1121168)
    作者简介:

    黄从高(1995—),男,硕士研究生,从事LED光源均匀辐射模拟器等方面研究;1458384574@qq.com

    通讯作者: 胡 淼(1982—),男,教授,博士,从事大功率LED技术、激光技术研究;miao_hu@foxmail.com
  • 中图分类号: O432

摘要: 为了解决高功率白光LED光源输出高均匀度窄光束的问题,设计了一种由复合抛物面反射器、菲涅尔透镜和非球面透镜组成的照明系统。设计中以板上芯片型(COB)集成光源的配光曲线为依据构建光源仿真模型,由复合抛物面反射器实现大角度光线初次会聚之后,再由菲涅尔透镜控制溢散光,最后利用非球面透镜进行准直配光。采用TracePro进行蒙特卡洛光线追迹,根据仿真得到的系统性能指标,并研制出实物装置进行实验测试。最终测试结果表明:窄光束均匀照明系统可以输出±7.9°的光束,并且在距离系统出光面0.7 m左右的区域形成均匀度超过96%的圆形光斑,整体光效达到60%。

English Abstract

黄从高, 胡淼, 张春洋, 等. COB光源的窄光束均匀照明设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200224
引用本文: 黄从高, 胡淼, 张春洋, 等. COB光源的窄光束均匀照明设计[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200224
Huang Conggao, Hu Miao, Zhang Chunyang, et al. Narrow beam uniform illumination design of COB light source[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200224
Citation: Huang Conggao, Hu Miao, Zhang Chunyang, et al. Narrow beam uniform illumination design of COB light source[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200224
  • LED光源作为新型绿色节能产品,凭借着耗能少,体积轻,抗震动等优势,在诸多的领域逐步取代传统光源。LED光源的光强分布呈余弦状,与朗伯光源相似[1-3],需要进行合理的配光设计,提高光学系统的性能。目前针对于点光源LED的配光设计已经非常成熟,比如郝建[4]等人利用Scheme语言设计的自由曲面准直透镜,使点光源LED输出光束的发散角达到±5°,光效达到90%;张巧淞[5]等人基于光源LED设计出了视场半角小于于3.3°,光效达到86.62%以上的自由曲面透镜;余桂英等人利用光学扩展量守恒理论,基于光源LED设计出了照度均匀性超过90.6%,能量利用率达到99.6%的均匀照明反射器[6]。考虑到单芯片LED由于发光功率较低,难以满足高光通量的需求[7]。因此在实际应用中,板上芯片型(COB)集成光源成为了当前大功率LED发展的主流趋势[8]。对于COB光源,由于光源的整体尺寸较大,与传统的点光源设计方案有较大差别,尤其是对于直径为20 mm及以上的COB光源,传统的SMS曲面设计法[9]设计的透镜可以保证较高的均匀度,但能量利用率偏低,只能适用于特定场合。利用镜面反射法[10]设计的反光杯可以提高COB光源的能量利用率,但难以控制输出光束的发散角到最佳状态。如郭海龙采用将COB面光源分割成诸多点光源的方案,设计出了半光强角14.82°,能量利用率高于70%的透镜[11],但均匀性不高;李鹏等人研制了基于LED扩展光源均匀光斑光辐射模拟器[12],获得了均匀性优于5.6%的矩形光束,但光束角度超过±12°,未达到小于±10°的实际目标要求,且光效也仅有41%;梁孙根等人设计了基于近焦点的非球面透镜照明系统[13],获得了发散角度低于±10°的光束,但系统整体光效不到20%,且透镜尺寸达到200 mm,难以应用于实际工程中。而如今市面上使用的准直照明系统多为TIR结构,由透射和反射结构相结合,整体呈现元宝面型。其设计原理是将光源中心小角度光线采用透射式准直,而大角度光线进行反射式准直,从而实现LED光源的准直配光,但照明光斑的均匀性难以达到90%以上,并且当光源尺寸较大时,相应的准直TIR透镜体积也将增大,使得加工的难度和费用都大大提高。综上,传统的一些设计方案对大功率的COB集成光源配光效果不太理想,难以实现高均匀性,小发散角和高光效的光束整形。

    为了提升大功率COB光源的光学性能,获取更好的照明效果,本文基于非成像光学的边缘光线理论和几何光学原理,提出了一种在特定距离可以实现发散角度小于±10°,照明均匀性高于90%,整体光效超过60%的窄光束照明系统。使用TracePro进行建模仿真,根据仿真参数研制出实物进行测试,测试结果与仿真结果吻合较好。

    • 传统的LED芯片配光设计,主要使用透镜或者反射杯。反射杯可以将入射的大角度光线控制在一定角度内,对于小角度的光线却无法做到有效的控制,难以达到满意的光斑效果;透镜可以精准控制小角度的光线,但对于COB型的LED光源,光束发散角度大,要想收集处理更多的光线,就需要大尺寸的透镜,在实际工程中不具有使用价值;相比较传统透镜,菲涅尔透镜更轻薄,价格更低廉,具有一定的光线汇聚作用,可以初步对光线角度进行压缩,再由传统透镜高效准直,既保证了光束角度的准直效果,也减小了光学元件的尺寸。综合上述透镜与反射杯的优点,采用三者相结合的方式对大功率COB芯片进行配光设计:复合抛物面聚光器(CPC)对COB光源进行角度控制处理,利用菲涅尔透镜(FL)对未经过CPC反射的散光进行准直,将光束角度压缩在一定范围内,最后利用非球面透镜准直输出,原理设计思路如图1所示。

      图  1  系统设计方案图

      Figure 1.  System design scheme diagram

      图2为CPC与FL的设计原理图。基于边缘光线理论可知,图2中COB芯片发出的边缘光线经过CPC折/反射后,都会变成与竖直方向成θ角的平行光线射出。在图2中,ACBD分别以BA为焦点的两条抛物线,r为CPC出射口的半径,d为COB的半径,也即CPC的焦平面半径。由几何知识和抛物线性质可以给出抛物线AC的表达式[14-15]

      图  2  CPC与FL设计原理图

      Figure 2.  CPC and FL design principle diagram

      $$\frac{{\left| {{{{ A} - B}}} \right| - ({{A - B}}) \cdot (\cos \phi ,\sin \phi )}}{{1 - \cos \varphi }}[\cos (\varphi + 90^\circ ),\sin (\varphi + 90^\circ )] + (0, - d/2)$$ (1)

      式中:AB分别为AB点对应的矢量;φ为抛物线AC的对称轴(图1B点的虚线)与由B点发出的任一光线所形成的夹角;$\varphi = \theta + {\rm{90}}^\circ $;同时CPC高度h[15]由公式(2)求出

      $$h = \frac{1}{2}(r + d)\cot \theta = d\frac{{(\sin \theta + 1)\cos \theta }}{{2\sin \theta }}$$ (2)

      结合式(1),(2)以及dr的数值,可以得到抛物线的具体线型,导入SolidWorks旋转生成CPC实体模型。经过CPC的初次折射配光,光源发散角度被压缩至80°内,模拟得到的CPC聚光光路如图3所示。

      图  3  CPC聚光光路图

      Figure 3.  CPC concentrated light path diagram

      由于CPC只能对发散角度大于θ的光线起作用,对于小角度光线只能任其自由出射,导致光斑效果不佳,故需要对直接溢出的散光进行处理。图2中,可以看出最大直接出射角的边线范围为ADBC,所以只需将这两条线内的光线进行准直,出于后期装配考虑,通过TracePro设置合适的参数生成菲涅尔透镜置于CPC上端口处,对这部分的溢散光准直输出。

      将经CPC与FL折射配光后的光束视为新光源,利用几何光学原理设计非球面透镜对COB光源的发散角进一步压缩准直。如图4非球面透镜设计原理图所示,以COB光源的中心为坐标原点O,法线方向为z轴,y轴垂直于z轴。yOz平面中,坐标原点距离非球面平面端距离为a,透镜整体厚度为d,折射率为n。选取任意从O点出发角度为θ(θθmaxθmax为非球面透镜所能接收光线的最大角度)的光线,设其与透镜平面端交点为P(z1y1),经过折射后折射角为$\alpha $,与非球面端相交于Q(znyn)。由费马原理的等光程性以及折射定律可以得到znyn的坐标

      图  4  非球面透镜设计原理图

      Figure 4.  Schematic diagram of aspheric lens design

      $$\left\{ \begin{array}{l} {{\textit{z}}_n} = \dfrac{{n{{\textit{z}}_n}a{\rm{rccos}}\alpha - a{\rm{arccos}}\alpha + (n - 1)d}}{{n{\rm{arccos}}\alpha - 1}} \\ {y_n} = {y_1} + \tan \alpha [\dfrac{{(n - 1)d - a{\rm{arccos}}\alpha + n{{\textit{z}}_n}arccos\alpha }}{{n{\rm{arccos}}\alpha - 1}} - {{\textit{z}}_1}] \end{array} \right.$$ (3)

      将光源发散角进行一定的划分,则对于每一个θ(−θmaxθθmax),都可以得到相应的P点坐标,进而计算得到非球面的坐标点(znyn),将一定量的坐标点导入SolidWorks中,旋转生成完整的非球面透镜模型。

    • 仿真选择对炫彩公司生产的100 W高功率COB芯片进行配光处理,目标获取均匀性高于90%,发散角度为±7°左右的窄光束。应用上述方案生成所需的CPC、菲涅尔透镜和非球面透镜导入TracePro中,构建系统模型,采并用蒙特卡罗光线追迹法进行仿真。参数设置如表1所示。

      表 1  光学系统仿真参数

      Table 1.  Simulation parameters of optical system

      parameterlens materialCOB diameter/mmsimulation wavelength/μmCPC reflectivity/%number of ray traces
      valuePMMA220.5495500 000

      图5系统仿真装置模型图中,从左往右依次是:圆柱形导光管,COB封装的高功率芯片,CPC,菲涅尔透镜以及非球面透镜。其中非球面透镜直径122 mm,厚度50 mm,菲涅尔透镜直径18.3 mm,焦距100 mm。CPC焦平面半径12.16 mm,略微大于芯片尺寸,整体长度50 mm,出射口与非球面透镜的入射平面相距66 mm。

      图  5  系统仿真装置模型图

      Figure 5.  Model diagram of system simulation device

      为了更为直观的体现光学系统对于COB芯片二次配光的整形效果,对COB芯片进行了单独的光线追迹仿真,获得了如图6(a)所示的COB芯片配光前的坎德拉分布图和图6(b)所示的COB芯片配光后的坎德拉分布图。从图6(a)(b)可以看出,COB光源的光强近乎分布在−80°~80°的角度空间内,难以直接使用,而经过光学系统配光处理后,光束的发散角度得到了一定的控制,系统出光口的光束角度控制在20°左右。

      图  6  COB芯片配光前后坎德拉分布图

      Figure 6.  Candela distribution before and after COB chip light distribution

      在距系统出光面0.7,0.85,1.0 m处设置半径0.35 m的圆形接收屏,图7(a)(c)分别给出了光学系统发射光束在距离0.7,0.85,1.0 m处接收屏上的光度分布。从图7的二维和三维照度图可以清晰看出,分别在距离系统出光面0.4,0.7,1.0 m远处,光线主要集中分布在半径为0.05,0.10,0.15 m的有效范围内。图7(a)中心区域光度分布不均匀,且光斑边缘光度值下降的很缓慢,整体均匀性较差;图7(b)中心区域光度成片分布,波动较小,均匀性好;图7(c)当距离进一步增加时,中心区域光度分布呈现中间高,两边低的特点,光度值波动范围变大,均匀性有一定的下降。

      图  7  不同距离远处的光度分布图

      Figure 7.  Luminosity distribution at different distances

      考虑到实物装配中,CPC与透镜之间的距离很难准确控制在仿真中设定的66 mm,根据设计目标要求中的均匀性大于90%的条件,对图5中CPC与非球面透镜之间距离的允许偏差进行了分析。以66 mm为初始距离,offsets作为初始距离的偏移量,通过改变offsets得到光斑均匀性和能量利用率的变化曲线,如图8(a)(b)所示。

      图  8  offsets变化对于均匀性和能量利用率的影响

      Figure 8.  Impact of offsets changes on uniformity and energy efficiency

      图8(a)所示,随着offsets绝对值的逐步递增,光斑有效区域的均匀性逐渐的下降,但在[−2 mm,2 mm]的变化区间内均匀性都大于90%。图8(b)反映出offsets从−2 mmm变化到2 mm过程中,系统整体的能量利用率呈现递减的趋势,这是因为从CPC出射的光束具有一定的发散角度,与透镜距离增大会导致一些光线溢出,降低了光线利用率,但降低幅度很小。综上,当offsets处于[−2 mm,2 mm]的区间内,系统能量利用率变化不大,照明均匀度都能满足设计目标要求。

    • 为了验证窄光束照明系统的光斑均匀性、光束发散角度,光效等非成像光学性能指标,依据仿真光学参数,加工研制出了基于COB的窄光束照明系统的实物装置,如图9(a)(b)所示。图9(a)外部视图中可以看出装置由非球面透镜、菲涅尔透镜、CPC,COB芯片、散热器以及圆柱支架组成。所用透镜都采用光学级PMMA材料加工,透光率超过90%,非球面通过环氧树脂固定在圆柱支架的端口,菲涅尔透镜固定在CPC的出射口;CPC采用纯铝通过CNC加工而成,内表面经过电镀使得反射率高达95%,反射效果较好。图9(b)内部视图中显示的黄色发光面为COB型LED,半径11 mm,内部通过若干灯珠12串17并而成,整体功率达到100 w。考虑到高功率带来的高热量,使用了图9(a)中所示的鳞片状散热器。将实物装置通电进行实验测试,并在距离装置一定距离处放置接收屏,用于接收装置出射的光束。为了准确获取光束在接收屏上形成的光斑的均匀性,实验采用快速存储光度计分别对光斑水平、竖直中心线方向进行光度值测量,采样间隔为1 cm,光斑边界界定为光强变化显著的位置。

      图  9  实物装置图

      Figure 9.  Physical installation diagram

      图10为COB芯片驱动功率为100 W时,实物测试获取的光斑的光度值曲线图。图10(a)(d)分别为光屏距离实物装置出光面0.4,0.7,0.85,1.0 m处的光度值图。图中,正方形、圆形曲线分别代表光斑水平、竖直方向上的光度分布。从图10(a)可以看出,在距离装置发光面0.4 m处,光度分布呈现中间低两边高的特点,中间凹陷区域形成了明显的暗斑,这是因为LED辐射的中心光线在非球面透镜中行进的距离比大角度边缘光线更长,因而会产生更多的吸收损耗,从而导致接受面的照度分布不均匀。如图10(b)(c)所示,由于系统出射的光束存在一定的发散角度,因此当距离增大时,边缘光线散落分布的区域变大,使得照度值与中心区域趋近相同,接收面光斑中心暗斑逐渐消失,光度分布较为平稳。图10(b)中中心区域曲线很平坦,波动很小,图10(c)中中心区域出现一个小的凸点,平稳性稍差一些。进一步通过数值计算,图10(b)中光斑有效区域的水平、竖直方向光度均匀性分别为96.04%和96.33%;图10(c)中光斑有效区域的水平、竖直方向光度均匀性分别为94.31%和94.65%,相较而言,前者更有优势。如图10(d)所示,当距离进一步增大为1.0 m时,能够辐射到目标面上的边缘光线逐渐变少,边缘区域接收的光通量也会变低,从而光度中心区域分布为中心高,两边低,中心凸起幅度较大,使得整体均匀性较差。综上比较,实验装置发出的光束在距离0.7 m左右的位置形成的光斑均匀性较好,满足目标需求。

      图  10  不同距离处光度分布图

      Figure 10.  Luminosity distribution at different distances

      为了得到光束的发散角度θ,采用MATLAB对图10中的记录的光度值进行二维细分差值处理,得到光斑的直径为32 cm,通过计算得到光束发散角θ为±7.9°,系统光效计算为60.04%。由于实物加工的误差以及实验测试中热能的损耗,实测结果与仿真结果具有一定的误差,但误差在可接受范围内,基本证明了方案的可行性。

    • 根据非成像光学与几何光学原理,本文基于大功率COB集成光源,以高均匀度的窄光束为设计目标。本文结合透镜与反光杯的优点,以CPC为基础,菲涅尔透镜控制溢散光,非球面透镜准直配光,提出了一种基于COB光源的高均匀度窄光束照明系统。通过TracePro模拟仿真并指导实验测试,结果表明系统可以将功率为100 W的COB光源±80°的发散角准直压缩为±7.9°左右的窄发散角,在照射距离为0.7 m左右的照明中心区域可以获得均匀度高于96.04%的圆形光斑,并且光效也超过60%。相较于现有的单一透镜构造的TIR准直系统,本文研制的窄光束系统实现了大尺寸COB芯片、CPC、透镜和散热器的一体化组合,使用更便利,且照明面上圆形光斑均匀度有6%左右的提升,可适用于机器视觉检测、光脉冲引擎等特种照明领域。

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