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光學(xué)設(shè)計(jì)軟件

高功率LED照明燈具光學(xué)設(shè)計(jì)(二)

星之球激光 來(lái)源:全亞文化2012-03-21 我要評(píng)論(0 )   

鏡片數(shù)組的設(shè)計(jì) 鏡片數(shù)組是整合64個(gè)對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管,由12.512.5mm大小,壓克力(PMMA: Poly Methyl Methacrylate)制成的矩形鏡片Cell構(gòu)成,鏡片數(shù)組可以使發(fā)光二極管產(chǎn)生...

鏡片數(shù)組的設(shè)計(jì)

  鏡片數(shù)組是整合64個(gè)對(duì)應(yīng)發(fā)光二極管,由12.5×12.5mm大小,壓克力(PMMA: Poly Methyl Methacrylate)制成的矩形鏡片Cell構(gòu)成,鏡片數(shù)組可以使發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線準(zhǔn)直化。鏡片數(shù)組從鏡片背面至焦點(diǎn)的距離為13.5mm,雖然增加該焦點(diǎn)距離,準(zhǔn)直化的光線散亂比較少,而且聚光鏡片的集光效率可以大幅提高,然而相同N/A值,單位Cell的口徑會(huì)變大,整體外形尺寸也會(huì)隨著暴增,因此設(shè)計(jì)上以降低球面收差為主要訴求。圖7是單位Cell的鏡片外觀,Cell的形狀如圖所示呈平凸鏡片狀,凸出部位主要是為補(bǔ)正收差,刻意制成Koninck形狀。

 
  聚光鏡片的設(shè)計(jì) 

  聚光鏡片除了可以使鏡片數(shù)組準(zhǔn)直化的光線高效率收斂至開(kāi)口處之外,還可以應(yīng)用在復(fù)數(shù)光線的混合、消除照度與色不均等設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)上為縮短照明系統(tǒng)整體的長(zhǎng)度,單鏡片若與口徑比較它的焦距很短,因此F/N只有0.93。

  此外聚光鏡片非常重視將準(zhǔn)直化的光線高效率收斂至開(kāi)口處的功能,設(shè)計(jì)上必須進(jìn)行球面收差補(bǔ)正,因此凸面呈非球面形狀。本設(shè)計(jì)使用的聚光鏡片C=0.0145、K=-0.587,采用6次非球面項(xiàng)次,它可以使光線收斂至口徑為ψ50mm的開(kāi)口處,聚光鏡片的材質(zhì)則為壓克力(PMMA)。

  變倍成像鏡片的設(shè)計(jì) 

  一般大型照明燈具,例如變倍投影的照明燈具大多采用2群2片成像鏡片設(shè)計(jì),很少設(shè)置收差補(bǔ)正鏡片。新型大型照明燈具使用的鏡片,采用很重視成像特性的鏡片系統(tǒng),同時(shí)針對(duì)發(fā)光二極管與鹵素?zé)粽彰鳠艟叩牟町慄c(diǎn),例如分光強(qiáng)度與開(kāi)口口徑進(jìn)行確認(rèn)。成像鏡片采用3群3片全長(zhǎng)固定型變倍鏡片(Zoom Lens)設(shè)計(jì),可在100~150mm焦點(diǎn)范圍進(jìn)行變倍投影,圖8是變倍成像光學(xué)系統(tǒng)與光線圖。

 
  此外為補(bǔ)正各收差,各鏡片使用分散相異的光學(xué)玻璃,配合非球面化設(shè)計(jì)進(jìn)行收差補(bǔ)正,因此3片鏡片之中的2片鏡片使用高次非球面鏡片。圖9是變倍投影鏡片的橫收差圖,由圖可知大型照明燈具的光學(xué)系統(tǒng),在有效變倍范圍可以獲得充分的收差補(bǔ)正。

LED燈具的特性評(píng)鑒 

  研究人員為進(jìn)行各種條件的實(shí)驗(yàn),根據(jù)以上設(shè)計(jì)試作大型照明燈具,接著在光學(xué)平臺(tái)(Bench)上進(jìn)行配光量測(cè)、照度不均、色不均進(jìn)行評(píng)量。圖10是試作照明系統(tǒng)的實(shí)際外觀。

 
  配光量測(cè)

  配光量測(cè)的照射距離為3m,依此量測(cè)照射壁面時(shí)的照度,接著針對(duì)目視與配光量測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)鑒。圖11是照射距離3m,4種照射直徑時(shí)的配光特性測(cè)試結(jié)果,由圖可知新世代大型照明燈具可以獲得低照度不均、良好的配光特性。此外3m照射距離的中心照度,0.9m最小照射直徑與1.5m最大照射直徑時(shí),可以獲得570流明(lm)與300流明(lm)實(shí)用等級(jí)的照度與配光特性。

  色不均特性 

  如上述藍(lán)光發(fā)光二極管組合釔鋁石榴石熒光體的白光發(fā)光二極管,結(jié)構(gòu)上發(fā)光二極管芯片產(chǎn)生的藍(lán)光配光特性,與藍(lán)光激發(fā)組合釔鋁石榴石熒光體產(chǎn)生的黃光配光特性不同,因此隨著照射角度顏色會(huì)改變。

新世代大型照明燈具的光學(xué)系統(tǒng)使用鏡片數(shù)組與聚光鏡片,除了可以使光線高效率收斂至開(kāi)口處之外,還能夠使發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線均勻化(Homogenizing),有效消除照射光的色不均勻現(xiàn)象。

  如圖12所示發(fā)光二極管單體的場(chǎng)合,中心部位的色度分別是x=0.2742,y=0.2831比較偏藍(lán)色,距 離光軸16°的位置x=0.3114,y=0.3704,周邊部位30°的位置x=0.3358,y=0.3745,隨著角度不同色度變化非常明顯,即使目視都可以分辨照射光中心部位與周邊部位顏色差異。

   新世代大型照明燈具的光學(xué)系統(tǒng)使用部份開(kāi)口進(jìn)行投影,變倍的廣角端(Wide)照射角度為16°。雖然理論上無(wú)法進(jìn)行角度與LED單體相同比較,不過(guò)基本上周邊部位與中心部位的比較,可作相同色不均勻的評(píng)鑒。

  新世代大型照明燈具的中心部位色度x=0.3220,y=0.3252,中間部位亦即距離光軸5°位置的色度x=0.3247,y=0.3294,周邊部位10°的位置x=0.3128,y=0.3178,與發(fā)光二極管單體比較時(shí),角度造成的色度差異明顯減少。

  結(jié)語(yǔ)

  以上介紹高功率白光發(fā)光二極管構(gòu)成的新世代配光控制型大型照明燈具的特性。研究人員透過(guò)設(shè)計(jì)、試作,解決高功率白光發(fā)光二極管構(gòu)成的大型照明燈具配光控制問(wèn)題點(diǎn),獲得無(wú)照度不均而且非常柔順的配光分布特性。 
 
  此外新世代配光控制型大型照明燈具使用的光學(xué)系統(tǒng),可以有效改善色不均現(xiàn)象,今后將進(jìn)行詳細(xì)的發(fā)光二極管內(nèi)部模型化,進(jìn)行將藍(lán)光與熒光體納入考慮的光學(xué)系統(tǒng)仿真分析。由于光學(xué)系統(tǒng)對(duì)混色非常有利,而且使用單色發(fā)光二極管的照明燈具,可以獲得高效率、立體影像的全像(Hologram)再生照明,因此研究人員計(jì)劃制作組合單色發(fā)光二極管,開(kāi)發(fā)全彩、無(wú)色不均的照明燈具。
 

 

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