照明用LED光学系统的计算机辅助设计

1、收稿日期:2004-02-26.光电器件照明用L ED 光学系统的计算机辅助设计严萍,李剑清(浙江工业大学信息工程学院,浙江杭州310032摘要:介绍了L ED 在照明领域的应用前景,提出了利用计算机辅助非序列光线追迹设计照明用L ED 的光学系统的分析方法,以达到计算机虚拟试制L ED 的目的。关键词:L ED ;色还原性;非序列光线追迹;虚拟试制中图分类号:TN312.8文献标识码:A 文章编号:1001-5868(200403-0181-02Computer Aid Design of Optical System of L ED for IlluminationYAN Ping ,L

2、I Jian 2qing(College of I nform ation E ngineering ,Zhejiang U niversity of T echnology ,H angzhou 310032,CHN Abstract :The application prospects of L ED in the illumination field are reviewed.An analysis method with which optical system of L ED for illumination is designed by computer aid non 2sequ

3、ential ray trace is introduced to achieve virtual prototype of optical design.K ey w ords :L ED ;color rendition ;color rendering index (CRI ;non 2sequential ray trace ;virtual prototype1引言半导体发光二极管(L ED 是一种直接将电能转换成光能的固态半导体器件。发光二极管的结构主要由芯片、电极和光学系统组成。通常由塑料密封材料组成的光学系统和电极机构构成L ED 的绝大部分体积。L ED 可发射红、黄、绿、蓝

4、或白光。发光波长或颜色由芯片的组成材料所决定。高亮度L ED 被认为是新一代的照明光源。发光二极管用于照明有许多的优点:工作电压低,耗电量少;性能稳定,寿命长(可达10万小时;抗冲击,耐振动性强;重量轻,体积小,成本低。高亮度单色光的L ED 已得到了广泛的应用。L ED 可直接发射所需颜色的波长,无需用滤光片,尽管它们比传统的灯泡昂贵,但它具有更高的性能价格比。例如,功耗10W 的红色L ED 交通信号灯就可替代传统的150W 白炽信号灯,而且L ED 信号灯的寿命至少5年,但白炽灯的寿命通常只有半年。单色L ED 在广告显示、路牌显示、航班警告灯、跑道灯、汽车尾灯和建筑装璜等领域目前已有广

5、泛的应用。对于普通照明来说,用越多的颜色混合来获得的白光,色还原性就越高。它的难点是如何使从不同光源发出的不同颜色的分裂光均匀地混合成白光。此外,由于不同颜色的L ED 芯片有着不同的驱动电压要求,不同的衰竭性能以及不同的温度性能,这就需要开发一种复杂的控制系统。2L ED 光学系统的计算机辅助设计L ED 光学系统设计包括L ED 器件内的光学设计和L ED 器件外的二次光学设计。L ED 内光学器件通常由芯片、反射镜和由塑料密封材料制成的光学透镜所组成。芯片、反射镜和透镜的几何形状决定了L ED 的光提取效率和光能量分布。L ED 器件的外光学设计主要是根据不同的实际应用使光能量重新分布,

6、从而达到更有效、更合理地使用有限光能量的目的。和其他光源的应用一样,光学工程师运用光学原理来设计L ED 的实际光学系统。计算机辅助设计在光学工程领域是一非常有用的工具。目前市场181半导体光电2004年第25卷第3期严萍等:照明用L ED 光学系统的计算机辅助设计上可得到的光学设计和分析程序主要有Breault Research Organization 的ASAP (The Advanced Systems Analysis Program ,Optical Research Associates (ORA 的CODE V 和Light Tools ,ZEMAX 的ZENAX 和Lambd

7、a Research 的TracePro 等等。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。2.1序列光线追迹和非序列光线追迹光线在光学系统内的传播遵循几何光学的反射和折射等原理。根据光线在系统内的传播方式,光学设计的几何光线追迹的计算机软件有两类,即序列光线追迹和非序列光线追迹。前面提到的CODE V 就是序列光线追迹,而ASAP ,Light Tools 和TracePro 等就是非序列光线追迹的计算机软件。ZEMAX

8、既能进行序列光线追迹,又能进行非序列光线追迹计算机辅助设计。 成像系统,例如照相机、望远镜等通常用序列光线追迹来设计。序列光线追迹的光线射到每一个光学表面的顺序都是已知的。如图1,光线必须首先射到第一个透镜的前表面,然后射到后表面,直至最后射到像面。序列追迹相对来说比较直观。它的每一个界面的顺序都是既定的,因此可以系统地计算光线传播。此外,序列追迹主要处理成像系统,物与像是点与点对应的。任何从物到像的偏差就导致像差。很大部分成像系统的光学工程师的设计任务就是减小或消除像差。成像系统的光线非常规则,通常只要计算几条光线就能确定整个系统的性能。 图1成像系统的序列光线追迹示意图在非序列光线追迹系统

9、中,光线与界面相交的顺序是未知的,它通常用于非成像系统,例如光纤光导、照明系统和汽车前灯等。L ED 器件的第一和第二光学系统设计通常都用非序列光线追迹。图2示出了一种L ED 第二光学系统。当光线从L ED 射出,它有可能先射到反射镜,反射后射到前面的探测面;它也可能直接射到探测面上去。非序列光线追迹中每一光线射到界面的顺序事先是未知的。因为非成像系统的光线不是点点对应,不形成像面,这就需要追迹大量的光线来达到系统分析的准确性。追迹的光线数量通常是以百万或千万计的。事实上,在计算机光学追迹发明以前,非成像系统的光学分析只限制在少数特殊情形。与序列光线追迹不同,非序列光线追迹分析需要大量的从光

10、源随意发出的光线在系统里追迹。这些从光源随意发出的光线的位置和方向由蒙特卡罗(Monta Carlo 模拟产生。在需要分析的地方放置一探测器收集光线,通过分析得到光强、光亮度以及照度等。非相干光源模拟的统计误差主要来自有限的取样。有限取样的误差是可计算的。运用统计分析,如果系统每条光线的能量相同,探测器上的误差或称信噪比为R S ,N =sqrt (N det N det 是达到探测器的总光线数目。由于信噪比取决于射到探测器上的光线数量的平方根,因此必须追迹大量的光线以达到可接受的信噪比。一些复杂的非序列光线追迹系统有时要计算机计算几个小时甚至好几天。这就有一个计算精度(取决于光线数量与缩短计

11、算时间之间的平衡问题。图2照明系统的非序列光线追迹示意图2.2计算机辅助光学设计的步骤(1决定光学设计要解决的问题,包括照明光强分布、均匀性等,以及在这一阶段系统的参数,例如最大或最小尺寸、重量、功耗、热量产生和牢固性等;(2根据系统要求决定光学布局,包括材料、原件数量、反射和折射表面等;(3初步设计。这时通常运用计算机光学分析软件进行计算,尝试不同的光学原件参数,进行实时系统分析;(下转第200页281improved light trapping J .IEEE Trans.ElectronDevices ,1999,46(10:1978-1983.5Menna P ,Di Francia

12、 G.Porous silicon in solar cells :Areview and a description of its application as an AR coating J .S olar Energy Materials and S olar Cells ,1995,37:13-24.6Bastide S ,Strehlke S.Porous silicon emitter for solarcellsA .Proc.13th EC PVSECC.1995,1280-1283.7黄庆安1硅微机械加工技术M .北京:科学出版社,1996.作者简介:孙晓峰(1979-,男,

13、硕士研究生,主要从事太阳电池方面的研究工作。E 2mail :nysunxf (上接第182页(4系统分析和优化。这时计算机辅助光线追 迹分析已经完成,光学系统已初步形成。这些结果需要与设计要求相比较。如果结果没有达到或超过性能要求,必须修改系统参数,并重新进行光线追迹和分析。对于L ED 的非序列光线追迹,这种优化通常需要工程师人为进行,计算机分析加以辅助。借助先进的计算机技术,光学系统可以非常逼真地显示在荧光屏上,光线追迹的结果可以以图形和数字表示出来。这种过程有时被称作虚拟试制。图35例举了L ED 手电筒的ASAP 模拟设计。图3示出了L ED 加反射镜的非序列光线追迹。图4示出了光线追迹后的光强空间角分布。图5是手电筒光线追迹的三维图像; 图3L ED加反射镜的非序列光线追迹 图4光线追迹后的光强空间角分布图5手电筒和光线追迹的三维图像(5产品的生产可行性。在完成光学系统的设计和优化后,还需要进行批量生产的可行性分析。这包括机械对准容差、制造容差,以及热量散发等。计算机辅助分析在这些方面也都有着广泛的应用。3结束语运用计算机辅助设计L ED 的光学系统,降低了设计难度,提高了效率,节