发光二极管汽车led外光学系统的设计与优化

发光二极管汽车led外光学系统的设计与优化

1基于紫外光电极照明的道路照明目前，这种分光矩阵广泛应用于交通灯、红灯、室内广告灯、户外广告灯、cd光存储等领域。与传统照明光源相比,发光二极管发光效率高,耗电量少,使用寿命长,开关时间短,安全环保并且体积小易开发成轻薄短小的产品。基于发光二极管的这些优点,将其应用于道路照明将具有广阔的应用前景。目前,采用发光二极管做照明光源制成的节能型道路照明灯具,方法、结构复杂,难以投入生产实用。论文的目的是针对LED节能型道路照明灯具进行二次光学设计,采用合理的外光学系统,改善灯具的光学性能,使得灯具的照度分布满足要求的同时,保证照明器件结构简单,拆装方便。2非序列光照追迹系统照明光学系统属于非成像光学系统之一,是从能量传递规律的角度对光学系统进行研究。LED光学系统设计即属于非成像光学系统的设计,包括器件内的光学设计和器件外的光学设计。器件内的光学设计涉及芯片、反射镜和封装芯片的光学透镜,因此内光学设计主要影响LED芯片的光提取效率和出射的光能量分布;外光学设计即指封装结构之外的光学系统设计,也称LED的二次光学设计,其目的是在封装结构外增加反射或投射等结构使得空间光强分布满足实际需求。根据光线在光学系统内的传播方式,计算机软件光学设计的几何光线追迹有两类,即序列光线追迹和非序列光线追迹。成像系统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。在非序列光线追迹系统中,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。计算机软件中,常用的计算照度的方法是蒙特卡罗方法,适用于点光源和扩展光源照明光学系统。它是通过追迹大量的光子来决定照度的,可以从光源到接收器或从接收器到光源来进行光子路径追迹。用一个二维阵列把接收面分成许多矩形小方格,光线从光源的不同点发射出来,通过光学系统后入射到接收面上,于是每一个小方格都能接收到一定数量的光线。给定照度点的照度值的准确度依赖于围绕此点的小方格所收集到的光线的数量。方格越小,对照度的分布情况描述得越好。但要获得一定的精度,必须追迹大量的光线。蒙特卡罗的模拟方法既可以较精确地求解一个光学结构模型,不但给出具体、形象的光分布结果,而且通过对光学结构的参数进行修正可以很容易地看出修改所产生的对光分布的影响,把这种影响反馈到对光学结构的修正中。论文采用OpticalResearchAssociates公司开发的仿真模拟软件Lighttools进行模拟和研究设计。该软件是采用非序列光线追迹的计算机软件。LED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。该软件能够完成的主要功能包括:系统建模;光机一体化设计;复杂光路设置;杂光分析和照明系统设计分析。论文中使用软件版本为V5.1.0。结合论文,采用照明设计软件Lighttools进行LED阵列光源的二次光学设计,按下面的步骤来进行LED照明的设计:(1)确定LED光源数目和排列方式,设计LED光源形状,设置其参数;(2)加光学元件,放置光源在合适的位置;(3)采用照明设计软件进行照明计算,包括被照面上光照度的计算,空间各点光强的计算和总的光通量的计算等;(4)检查灯具的配光中的各项参数是否满足预定要求;(5)如未达到设计要求,针对配光曲线中尚未满足的部分,再次进行计算,反复修改。3led阵列照明光栅的模拟仿真评价道路照明的好坏,一般有以下四项指标:(1)照明水平;(2)照明均匀度;(3)眩光限制;(4)道路照明的诱导性。在国家标准中,给出了亮度和照度两套指标,包括平均亮度(照度)、亮度(照度)均匀度、眩光限制以及诱导性。对LED道路照明灯具进行二次光学系统设计,其意义在于改变灯具的光度指标,从而改善道路照明的照明均匀度和眩光等指标,由于这里的光源在垂直于车辆行驶方向的照度完全可以满足要求,所以主要考虑沿车辆行驶方向的纵向照明均匀度。纵向均匀度的定义为在通过观察者位置的平行于道路轴线的线上路面最小亮度Lmin与路面最大亮度Lmax的比值,即Lmin/Lmax。它对视舒适影响极大,如果这个亮度不均匀,在路面上会连续反复出现一系列亮与暗的横带,称之为“斑马效应”。司机出现此效应,特别感到烦躁。采用Lighttools对14×16个排列成平面矩形阵列的LED光源进行模拟,图1为得到的路面照度分布图。X轴为道路上沿车辆行驶的方向(以下称纵向),Y轴为与其垂直的方向(以下称横向)。考虑路面上38m×11m范围内的照度分布。因此,Y轴方向上的照度值完全可以满足要求。而X轴上的边缘照度值较小,因此照度的均匀度不能满足要求,而且容易造成眩光。这里要采用一种透射元件,放置在LED阵列照明光源的前方,使得光源的出射光线,在路面上沿车辆行驶方向(X轴)的均匀度有所改善。用Lighttools进行多次仿真模拟表明,在上述LED阵列照明光源前放置棱镜、透镜、柱面镜及柱面镜阵列,均由于其本身尺寸及结构的限制不能有效地改变路面照度分布。最后采用一种类柱面(直条形)菲涅尔负透镜的散射元件。由于菲涅尔透镜可以看作由许多微型棱镜构成,显然棱镜的顶角越大对光束的偏折作用也就越大,而对于菲涅尔透镜,其中心部分棱镜顶角比较小,边缘部分棱镜顶角比较大。但是对于LED阵列照明光源来说大多光线都集中在LED阵列光源前方的中部,所以这里采用的元件与柱面菲涅尔负透镜不同,该元件每个齿的倾斜角度相同,且此元件左右对称,如图2所示。这样的结构可以将比较集中的光线向两边散射。如图3为采用该元件调整照度分布时,得到的路面照度的仿真模拟结果图。可以看出该元件的使用使得路面的边缘上的光强有所增加。图1中,X轴上照度在3lx以上的路面范围有28m,使用该元件后,X轴上的照度在3lx以上的路面范围增加到了32m。为了加强元件对光的散射作用,采用两个相同的该元件,齿尖对齿尖粘合而成。该结构还可以避免粉尘落在散射结构的表面从而影响散射效果。其模拟结果如图4所示,可以看出图1中的中心亮斑被分成了两个亮斑,在沿车辆行驶的方向,光斑被拉长,所以与图3的情况相比较,其照度分布的中心均匀度也相应变得更好,但是中心区域的亮度突然降低,可能会导致眩光,不利于驾驶者行车安全。在此结构的基础上再次进行改进。使光源阵列和散射元件以其中心线分为左右两个并分别向左右倾斜一个角度,如图5所示。其模拟结果如图6所示,此结果是在散射元件距离光源20mm,两个散射板间夹角为150°时得到的。可以看出中心光斑进一步被拉长,边缘的亮度值也增大,同时中心为一个亮斑,不会发生图4中的突变。在X轴方向上,光源覆盖的范围有所增大,40m边缘的照度值增大到3lx。4小光照散射元件的应用根据以上的分析与设计,加工出两片散射元件,每个元件其微结构,即其齿的倾角方向和大小都相同,然后将两个元件粘合,如图7所示。该元件即为图5所示两散射元件其中之一。这里,实验所采用元件,其齿的倾斜角为45°。图8为实物图。实验时与模拟时不尽相同,有两种光源可供选用。一种为2×3个LED的小光源,另一种为16×16个LED的大光源。由于采用小光源进行实验比较方便快捷,而且其结果可以反应一定的实际问题,所以以小光源进行初步的实验验证。以下采用2×3个发光二极管小光源来验证散射元件结构的性能。将散射元件放置在距离小光源28mm的正前方处,测量距离光源2.5m所在平面的光照度,选取的测量点在假定为车辆行驶方向上的一条直线上,每个点相距20cm,其结果经过规一化处理后如图9所示。X轴为道路横向方向,单位为cm,0处为与光源中心点正对的测量点。Y轴为某点处照度相对值。该图中,曲线1为光源的相对照度曲线,曲线2为光源经过散射元件后得到的相对照度曲线。对比两曲线可以看出单片的散射元件可以使得光斑的中心照度值,偏移60cm,从而使得照度分布的均匀性相应得到改善。下面采用大光源进行实验验证。将散射元件放置在光源前方,与上述实验相同,测量距该照明系统一定距离(12m)处的平面上一条直线上的照度值。从灯具中心向路面作垂线,其交点作为0点。在此直线上,每隔1m进行一次照度测量。然后读取数据并进行规一化处理。得到的结果如图10所示。图中点线为原光源的相对照度曲线,实路面曲线为在其前方放置散射元件后得到的路面相对照度曲线。以光源中心向路面做垂线,其交点为图10中的0点。图中的X轴代表路面上点到灯投影点的距离,单位为m,Y轴为相对照度值。可以看出,散射元件使得路面照度的均匀性有了较大的改善。在中心区域出现了两个峰值,这说明散射元件使光线向两个相反方向发散,使得路面上-9～+12m的范围内的照度值变化幅度在20%之内,同时中心亮