照明用LED光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

1、收稿日期:2004-02-26.光電器件照明用L ED 光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)嚴(yán)萍,李劍清(浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,浙江杭州310032摘要:介紹了L ED 在照明領(lǐng)域的應(yīng)用前景,提出了利用計(jì)算機(jī)輔助非序列光線追跡設(shè)計(jì)照明用L ED 的光學(xué)系統(tǒng)的分析方法,以達(dá)到計(jì)算機(jī)虛擬試制L ED 的目的。關(guān)鍵詞:L ED ;色還原性;非序列光線追跡;虛擬試制中圖分類(lèi)號(hào):TN312.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):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引言半導(dǎo)體發(fā)光二極管(L ED 是一種直接將電能轉(zhuǎn)換成光能的固態(tài)半導(dǎo)體器件。發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)主要由芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。通常由塑料密封材料組成的光學(xué)系統(tǒng)和電極機(jī)構(gòu)構(gòu)成L ED 的絕大部分體積。L ED 可發(fā)射紅、黃、綠、藍(lán)

4、或白光。發(fā)光波長(zhǎng)或顏色由芯片的組成材料所決定。高亮度L ED 被認(rèn)為是新一代的照明光源。發(fā)光二極管用于照明有許多的優(yōu)點(diǎn):工作電壓低,耗電量少;性能穩(wěn)定,壽命長(zhǎng)(可達(dá)10萬(wàn)小時(shí);抗沖擊,耐振動(dòng)性強(qiáng);重量輕,體積小,成本低。高亮度單色光的L ED 已得到了廣泛的應(yīng)用。L ED 可直接發(fā)射所需顏色的波長(zhǎng),無(wú)需用濾光片,盡管它們比傳統(tǒng)的燈泡昂貴,但它具有更高的性能價(jià)格比。例如,功耗10W 的紅色L ED 交通信號(hào)燈就可替代傳統(tǒng)的150W 白熾信號(hào)燈,而且L ED 信號(hào)燈的壽命至少5年,但白熾燈的壽命通常只有半年。單色L ED 在廣告顯示、路牌顯示、航班警告燈、跑道燈、汽車(chē)尾燈和建筑裝璜等領(lǐng)域目前已有廣

5、泛的應(yīng)用。對(duì)于普通照明來(lái)說(shuō),用越多的顏色混合來(lái)獲得的白光,色還原性就越高。它的難點(diǎn)是如何使從不同光源發(fā)出的不同顏色的分裂光均勻地混合成白光。此外,由于不同顏色的L ED 芯片有著不同的驅(qū)動(dòng)電壓要求,不同的衰竭性能以及不同的溫度性能,這就需要開(kāi)發(fā)一種復(fù)雜的控制系統(tǒng)。2L ED 光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)L ED 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括L ED 器件內(nèi)的光學(xué)設(shè)計(jì)和L ED 器件外的二次光學(xué)設(shè)計(jì)。L ED 內(nèi)光學(xué)器件通常由芯片、反射鏡和由塑料密封材料制成的光學(xué)透鏡所組成。芯片、反射鏡和透鏡的幾何形狀決定了L ED 的光提取效率和光能量分布。L ED 器件的外光學(xué)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用使光能量重新分布,

6、從而達(dá)到更有效、更合理地使用有限光能量的目的。和其他光源的應(yīng)用一樣,光學(xué)工程師運(yùn)用光學(xué)原理來(lái)設(shè)計(jì)L ED 的實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在光學(xué)工程領(lǐng)域是一非常有用的工具。目前市場(chǎng)181半導(dǎo)體光電2004年第25卷第3期嚴(yán)萍等:照明用L ED 光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)上可得到的光學(xué)設(shè)計(jì)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。盡管計(jì)算機(jī)程序不能代替光學(xué)工程師來(lái)設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng),但計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化和加快了設(shè)計(jì)過(guò)程。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的快速提高,圖形工具的不斷完善,設(shè)計(jì)人員能夠從理論上多方位檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的性能,而不需耗資巨大來(lái)制造試驗(yàn)樣品。2.1序列光線追跡和非序列光線追跡光線在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的傳播遵循幾何光學(xué)的反射和折射等原理。根據(jù)光線在系統(tǒng)內(nèi)的傳播方式,光學(xué)設(shè)計(jì)的幾何光線追跡的計(jì)算機(jī)軟件有兩類(lèi),即序列光線追跡和非序列光線追跡。前面提到的CODE V 就是序列光線追跡,而ASAP ,Light Tools 和TracePro 等就是非序列光線追跡的計(jì)算機(jī)軟件。ZEMAX

8、既能進(jìn)行序列光線追跡,又能進(jìn)行非序列光線追跡計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。 成像系統(tǒng),例如照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡等通常用序列光線追跡來(lái)設(shè)計(jì)。序列光線追跡的光線射到每一個(gè)光學(xué)表面的順序都是已知的。如圖1,光線必須首先射到第一個(gè)透鏡的前表面,然后射到后表面,直至最后射到像面。序列追跡相對(duì)來(lái)說(shuō)比較直觀。它的每一個(gè)界面的順序都是既定的,因此可以系統(tǒng)地計(jì)算光線傳播。此外,序列追跡主要處理成像系統(tǒng),物與像是點(diǎn)與點(diǎn)對(duì)應(yīng)的。任何從物到像的偏差就導(dǎo)致像差。很大部分成像系統(tǒng)的光學(xué)工程師的設(shè)計(jì)任務(wù)就是減小或消除像差。成像系統(tǒng)的光線非常規(guī)則,通常只要計(jì)算幾條光線就能確定整個(gè)系統(tǒng)的性能。 圖1成像系統(tǒng)的序列光線追跡示意圖在非序列光線追跡系統(tǒng)

9、中,光線與界面相交的順序是未知的,它通常用于非成像系統(tǒng),例如光纖光導(dǎo)、照明系統(tǒng)和汽車(chē)前燈等。L ED 器件的第一和第二光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常都用非序列光線追跡。圖2示出了一種L ED 第二光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)光線從L ED 射出,它有可能先射到反射鏡,反射后射到前面的探測(cè)面;它也可能直接射到探測(cè)面上去。非序列光線追跡中每一光線射到界面的順序事先是未知的。因?yàn)榉浅上裣到y(tǒng)的光線不是點(diǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng),不形成像面,這就需要追跡大量的光線來(lái)達(dá)到系統(tǒng)分析的準(zhǔn)確性。追跡的光線數(shù)量通常是以百萬(wàn)或千萬(wàn)計(jì)的。事實(shí)上,在計(jì)算機(jī)光學(xué)追跡發(fā)明以前,非成像系統(tǒng)的光學(xué)分析只限制在少數(shù)特殊情形。與序列光線追跡不同,非序列光線追跡分析需要大量的從光

10、源隨意發(fā)出的光線在系統(tǒng)里追跡。這些從光源隨意發(fā)出的光線的位置和方向由蒙特卡羅(Monta Carlo 模擬產(chǎn)生。在需要分析的地方放置一探測(cè)器收集光線,通過(guò)分析得到光強(qiáng)、光亮度以及照度等。非相干光源模擬的統(tǒng)計(jì)誤差主要來(lái)自有限的取樣。有限取樣的誤差是可計(jì)算的。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析,如果系統(tǒng)每條光線的能量相同,探測(cè)器上的誤差或稱信噪比為R S ,N =sqrt (N det N det 是達(dá)到探測(cè)器的總光線數(shù)目。由于信噪比取決于射到探測(cè)器上的光線數(shù)量的平方根,因此必須追跡大量的光線以達(dá)到可接受的信噪比。一些復(fù)雜的非序列光線追跡系統(tǒng)有時(shí)要計(jì)算機(jī)計(jì)算幾個(gè)小時(shí)甚至好幾天。這就有一個(gè)計(jì)算精度(取決于光線數(shù)量與縮短計(jì)

11、算時(shí)間之間的平衡問(wèn)題。圖2照明系統(tǒng)的非序列光線追跡示意圖2.2計(jì)算機(jī)輔助光學(xué)設(shè)計(jì)的步驟(1決定光學(xué)設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題,包括照明光強(qiáng)分布、均勻性等,以及在這一階段系統(tǒng)的參數(shù),例如最大或最小尺寸、重量、功耗、熱量產(chǎn)生和牢固性等;(2根據(jù)系統(tǒng)要求決定光學(xué)布局,包括材料、原件數(shù)量、反射和折射表面等;(3初步設(shè)計(jì)。這時(shí)通常運(yùn)用計(jì)算機(jī)光學(xué)分析軟件進(jìn)行計(jì)算,嘗試不同的光學(xué)原件參數(shù),進(jìn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)分析;(下轉(zhuǎn)第200頁(yè)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黃慶安1硅微機(jī)械加工技術(shù)M .北京:科學(xué)出版社,1996.作者簡(jiǎn)介:孫曉峰(1979-,男,

13、碩士研究生,主要從事太陽(yáng)電池方面的研究工作。E 2mail :nysunxf (上接第182頁(yè)(4系統(tǒng)分析和優(yōu)化。這時(shí)計(jì)算機(jī)輔助光線追 跡分析已經(jīng)完成,光學(xué)系統(tǒng)已初步形成。這些結(jié)果需要與設(shè)計(jì)要求相比較。如果結(jié)果沒(méi)有達(dá)到或超過(guò)性能要求,必須修改系統(tǒng)參數(shù),并重新進(jìn)行光線追跡和分析。對(duì)于L ED 的非序列光線追跡,這種優(yōu)化通常需要工程師人為進(jìn)行,計(jì)算機(jī)分析加以輔助。借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù),光學(xué)系統(tǒng)可以非常逼真地顯示在熒光屏上,光線追跡的結(jié)果可以以圖形和數(shù)字表示出來(lái)。這種過(guò)程有時(shí)被稱作虛擬試制。圖35例舉了L ED 手電筒的ASAP 模擬設(shè)計(jì)。圖3示出了L ED 加反射鏡的非序列光線追跡。圖4示出了光線追跡后的光強(qiáng)空間角分布。圖5是手電筒光線追跡的三維圖像; 圖3L ED加反射鏡的非序列光線追跡 圖4光線追跡后的光強(qiáng)空間角分布圖5手電筒和光線追跡的三維圖像(5產(chǎn)品的生產(chǎn)可行性。在完成光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化后,還需要進(jìn)行批量生產(chǎn)的可行性分析。這包括機(jī)械對(duì)準(zhǔn)容差、制造容差,以及熱量散發(fā)等。計(jì)算機(jī)輔助分析在這些方面也都有著廣泛的應(yīng)用。3結(jié)束語(yǔ)運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)L ED 的光學(xué)系統(tǒng),降低了設(shè)計(jì)難度,提高了效率,節(jié)