基于TracePro的LED二次配光设计

1、基于TracePro的LED二次配光设计 一一饶连江 赵花花基于TracePro的LED二次配光设计(南京汉德森科技股份有限公司)摘要：随着LED光效的大幅度提升，LED迅速进入了商业照明市场， 并逐步取代传统光源， 成为21世纪的主要光源。在 LED的强大诱惑力下，各大厂商纷纷投入LED产业。本文将借助TracePro软件设计一款窄配光的 LED定向照明灯，并通过实验测试来说明仿真软件在 LED照明设计中的应用。关键词：TracePro、LED、配光、照明1.引言2010年，在全球呼唤低碳、节能的背景下，LED产业显得异常火爆。大功率 LED作为固态半导体照明光源，本身具有绿色环保的优点，自

2、问世以来就倍受青睐。LED体积小、重量轻、能耗少、寿命长、响应时间短、抗震性好，十分适合作为21世纪的新型照明光源。照明的质量和水平已成为衡量社会现代化程度的一个重要标志，成为人类社会可持续发展的一项重要措施。根据资料统计，全球照明用电占总用电量的 20%，占总能耗的7%【1】。 商业照明的日工作时间长，功率大，耗电多，随着 LED光效的提升，完全可以采用 LED作 为商业照明光源。传统商业照明主要有筒灯、 射灯和PAR灯系列。PAR灯(Parabolic Aluminum Reflector)多用于定向照明，角度要求较窄。因LED发光面较小，往往需要进行二次配光，使能量重新分布，以达到定向照

3、明的效果。和其他光源的应用一样，光学工程师运用光学原理来设计LED的实际光学系统。计算机辅助设计在光学工程领域是一种非常有用的工具。尽管计算机程序不能代替光学工程师来设计光学系统，但计算机辅助设计大大简化和加快了设计过程。随着计算机运算能力的快速提高，图形工具的不断完善， 设计人员能够从理论上多方位检测光学系统的性能，而不需耗资巨大来制造试验样品【2】。TracePro是一款基于蒙特卡罗法 (Monte Carlo)的非序列光线追迹软件 (Non-Sequential Ray Tracing),为美国Lambda Research公司开发，主要用于照明设计和杂散光分析。 TracePro 以实

4、体对象来构建光路系统，通过同时计算反射、折射、散热、吸收和衍射等行为来模拟光4线与实体表面的作用，在 LED配光设计中占有重要地位。TracePro用于照明设计的一般流程如图1所示。本文将通过如下流程进行一款采用LED光源的PAR20灯具（下文将简称 PAR20）反光杯设计。苻合要求图1 TracePro设计的一般流程2. 仿真设计目前常用的LED二次配光器件可分为透镜、反光杯和折光板。反光杯设计时，须重点考虑反光表面的反射比，反光面常以金属材料进行镀涂，各种材料的反射比如表 1所示（测试时，垂直入射光线的波长为 589.3nm）。金属铝在整个红外到近紫外区都有很高的反射比， 它是照明用反光元

5、件理想的反光材料。表1常用金属材料光学性能材质银金铝水银铜镍（蒸发态）反射比0.950.850.830.730.700.43折射率0.180.371.441.620.641.30反光杯按基体材料可分为金属反光杯、塑料反光杯和玻璃反光杯，其性能如表2所示。金属反光杯可通过旋压、冲裁和抛光等工艺完成，有形变记忆，常用于低照明要求的灯具； 塑料反光杯可通过一次脱模完成，光学精度较高，无形变记忆，成本适中， 常用于较高要求的照明灯具；玻璃反光杯光学精度高，无形变记忆，但其密度大，较易破碎，常应用在不需 要移动的高品质产品中，如电影放映机、探照灯等。表2常用反光杯性能对比反光杯类型成本光学精度耐温性散热

6、性抗形变抗冲击重量金属反光杯低低高好差差中塑料反光杯中高中差好好轻玻璃反光杯高高高中好差重本款PAR20灯具采用Nichia公司的LED光源（共4颗），型号NS6L083BT，标称光通 量为80lm，光谱图和一次配光曲线如图 2所示。设计要求的半光强角度为 20° 30°，二 次配光的理论角度为 25°。因角度要求较高，本反光杯设计为电镀级ABS基材，表面真空镀铝处理。Wavelenzth Z (nm)L LO.O-O. rnujAUMUsu 一 1|.2蚩=口 善 B-UHTa=25DC !EP=j00mAO0°_ Tr=25a -IFP=3OC )m

7、A/J/一:/7/Radiation102?0°:OD4*:图2 LED光谱图和一次配光曲线根据光路可逆原理【3】，并借助SolidWork软件进行反光杯的几何模型建立，母线采用 多段曲线设计，结果如图3所示。我们知道，LED热平衡时的效率约 90%，即经过反光杯重新分配的能量约为热平衡时总能量的90%。根据LED的光谱图和一次配光曲线（图2），在TracePro软件中自定义光源属性，并将该光源属性赋予 LED的发光表面上（LED的物理排布结果如图 4所示），光线总量为120 万根，比例系数设为热效率0.9。本次设计主要关心灯具的配光曲线和光斑情况，为了获得较均匀的光斑，反射面经过晒

8、纹处理（晒纹型号：G01 11301，东莞长城工模蚀纹厂）。参数设置完成后进行光线追迹，为便于分析，取总光线量的0.1%进行显示，结果如图 5所示。仿真的极坐标系配光曲线和笛卡尔坐标系配光曲线分别如图6和图7所示，半光强角约为26.2°； 2米处的中心照度约 138.3IUX，辉度图（光斑）如图 8所示。图3反光杯模型亦 f,ila |ft.l ft re I bfaiatj jfiii -ni L '|i- ra1*nF >i二圈丘imi gjti_a期创他聖 r|#i叫列 u 僱為Q +|l.制疋|4二I环1 :*创：r i叨 小 -图4 LED的排布图5光线追迹结

9、果（总光线量的0.1%）基于TracePro的LED二次配光设计饶连江赵花花F'Dlnr LandalB UisfribLADn FU$inglMi5Ea-d RaysCd 0.0 5.0 -90.0Min：1 fG54e-O14 cd. Mh?c：558.07 od TataJ FIuk239.04 E图6配光曲线（极坐标系）一社出lv-u=E-lxHkNUiintaJ5-1 怀田訥 2 cd, Maw 隔1 fi? cd. Total Fkiw 2S9 A imCvndkfd?叶如印n PktUng Wtoamd Rayi图7配光曲线IDial - llumnaTce far hc

10、idert Auk Girder 1 Sutacie 1 Qabai Cxitaialcs2M -400 磁 -BOO -1000（笛卡尔坐标系）2DDhtXHl1«»000800400500MQ 400- 锁0 -BflO -1DOOrnrunc亡 htnO 華呂M Ilm, Ujx 13r W Lh, A* 475图8 2米处辉度图（仿真）5基于TracePro的LED二次配光设计 一一饶连江 赵花花3. 实验测试整个灯具经开模加工后，经装配完成（图9）并在实验室进行配光测试，测试仪器为杭州远方光电信息有限公司的GO1900L灯具配光曲线测试系统，配光曲线如图 10所示

11、，中心光强539.8cd，等效总光通量约 235.41m ;采用记忆式照度计 TES-1366A （台湾泰仕）进 行照度测试，2米处中心照度约133.7lux，将灯具点亮后对准白色墙壁照射， 辉度图（光斑） 如图11所示。图9反光杯安装情况实测配光曲线（取掉透明灯罩）配光曲战单也 ;cd CO-100图11实测2米处辉度图4. 结果分析将TracePro的仿真结果和实验测试结果进行对比，结果如表3所示。考虑到加工和实验测试的误差，该结果完全能够接受。 实际灯具的光斑均匀，无暗斑等缺陷，符合设计要求。表3结果对比对比项目TracePro 仿真实验测试半光强角26.2 °26.8 °2米处光斑均匀均匀2米中心照度138.3lux133.7lux中心光强558.9cd539.8cd总光通量239.01m235.4lm通过计算机仿真，能够快速的帮助光学工程师进行准确的配光设计，有利于缩短研发周期和节约