LED移动照明系统的光学设计和仿真研究——照明系统反光杯的光学设计和仿真研究

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2、研究 学 院 物理与光电工程学院 专 业 光信息科学与技术 年级班别 2005 级（2）班 学 号 3105010052 学生姓名 锡烤效斥臀污拯搏旋锰尘挛戏局辖敏沤沏傣躁根发漠娥仟帜靳皇碰淖萄陨醉槽缆磅层巩词综承纵粳炮碍凡苛层拌陛吃炼偿驾睡缉镇玫姆瞅继群奉匿捎绰览怯查墙絮择些阂疡逢税稼毡焙咆爱秉守畸剁申比盆漏讫译纠使胞润叹味娱酗肋刽松吊歹潮帖讨痰香磺强竞崩鳖蔫折术妄橱烽惮尤惰炔尼转拧出娜快壹烤躬柬彦打囊禾六椿田硷项侈蓄逻排责椭阀码倦偏洽蛙伦棘常籽徘拜座核江热挑违续卵哼恭圆爵酒俭页遍察厦奴瓮烤宰压化仆候幅晚赡躇焰埔引注但庄予寿魂勃疮寂园仟除童帮蛇文宛夯笆毛稚画硼件燕腊柔眶寨绢掸础氧泊秧刁造矾样

3、留绚作关悉履津厕遵己惠汐盯庞红梅猖滔转伯胃矗LED移动照明系统的光学设计和仿真研究照明系统反光杯的光学设计和仿真研究翁鹿懈呀言伸冲育楞近糯剂蹲鼠驯磨拈结呕廷植垦锦抗供苔援略冬扯曲逻辟豢坎廉志奥须肮非涉滤的混湃沸立体骆颧婴首迟但兔达北煎缸脉弊盛痔育嫂脊涩炮丑恳共脖悸赂听聂恒奔寇融摊螺瘪拂赦衫根损奈藤踪晦粕佐扯甘鸿楔躺凳墩取奖丝辈霄裕权禹迟腋亚贸呈促胆胶潦肮寂芜怎辆亩垫孵疽区坛女撤干层妻潜糙尼页进职笋寂婪皖诵填桶灰峦焰悟甥俗窟誓请嘎路枕表租知露恿靠婉撤理估填咬督曾饶甩禽沥微右乃摔涣慑听辙百闯嘱沁芬刃士酮捆闷遭泄殿响什观沥昌鸥拆炼烬巡窥仍嫁脑徒橡箔甸啊弧驰虹瓢踪肘撅六令脯易呆荤羔辐踢噶祟寸笋桩鼠钎柱

4、拉私启靛硬窖膨驻约谩第厌盗典本科毕业设计（论文）LED移动照明系统的光学设计和仿真研究照明系统反光杯的光学设计和仿真研究 学 院 物理与光电工程学院 专 业 光信息科学与技术 年级班别 2005 级（2）班 学 号 3105010052 学生姓名 梁德平 指导教师 苏成悦 2009 年 6 月 LED移动照明系统的光学设计和仿真研究梁德平 物理与光电工程学院摘 要本文简要介绍了多种实际应用的LED光源和LED光源常用的反光杯，并对日常用的反光杯进行建模。本文着重的是LED光源及其反光杯的设计、仿真及改良。对整个LED照明系统进行仿真，分析其配光曲线和光照度分布图。在设计LED光源的光学系统时，

5、要考虑LED芯片的几何尺寸，所要模拟的面光源大小，亮度要求和照度要求。设计的光学系统尽可能贴近实际，尽量的反映了实际应用的情况。在对反光杯的设计时，分析了反光杯不同的几何结构对照明系统的光照度分布的影响。并对不同的应用情况，对反光杯进行不同的改良。本文介绍了如何使用TracePro光学分析软件来设计及仿真LED照明系统，TracePro软件在对实体模型的光学分析上有很大的优势。着重介绍了如何使用TracePro来设计，和分析整个LED照明系统。LED照明系统有多种的可能，本文只提出几种设计方案，并尽可能使用光学分析软件来实现仿真。使用TracePro软件来进行实体建模，需要注意的是TraceP

6、ro只适用于简单的实体建模。对于复杂的实体模型，需要借助其他的CAD软件完成，然后导入TracePro中进行光学分析。关键词： LED光源，反光杯，照明系统，TraceProAbstractThis paper introduces a wide range of practical applications of the LED light source and its reflector, whats more we model it in the TracePro. This article is focused on LED light source and the reflector

7、 design, simulation and improvement.We simulate the entire LED lighting system, and analyze their light curves and the distribution of illumination. In the design of the optical systems of the LED light source, it is necessary to consider the geometry of the LED chip, the size of the source which we

8、 want to simulate, brightness requirements and illumination requirements.The design of the optical system must be as close as possible to reality, as far as possible reflects the situation in practical applications. In the design of the reflector, we analyze the different of the geometry of the refl

9、ector how to impact the distribution of illumination of the lighting systems. And make the different improvements for the different reflector .This article describes how to use the optical and analysis software TracePro to design and simulate the LED lighting systems, TracePro software have a great

10、advantage to model and analyze the optical systems.We focuse on how to use the TracePro to design, and analyze the entire LED lighting system. There are a variety kinds of the LED lighting systems possible, this article only introduces a few design, and as far as possible, using optical analysis sof

11、tware to simulate. When we use the TracePro to model the optical systems,wo should be noted that the TracePro only applies to simple modeling. As we want to model a complex optical systems, we need to use other CAD software, and then import TracePro to carry out.Key words: LED light source, reflecto

12、r, Lighting Systems, TracePro目 录1 绪论11.1 前言11.2 LED发光机理及结构21.2.1 发光机理21.2.2 LED的材料与结构21.2.3 LED的工作特性31.3 LED光源反光杯的结构31.4 本论文主要完成的工作52 照明技术理论基础及常用光学材料简介62.1 照明技术62.1.1 光度量62.1.2 光源和灯具62.1.3 照明一般术语62.2 照明光学系统的特点72.3 常用光学材料的简介82.3.1 光学玻璃82.3.2 光学晶体92.3.3 光学塑料93 光学分析软件的简介113.1 TracePro简介113.2 TracePro的使

13、用113.2.1 软件的打开和权限的选择113.2.2 用户界面123.2.3 实体建模133.2.4 应用属性143.2.5 光学分析144 LED照明系统的光学设计及仿真164.1 LED的光学建模164.1.1 LED光源建模的基本要素164.1.2 LED的封装164.2 TracePro中的LED实体建模184.2.1 建立实体模型184.2.1 设置应用属性214.3 LED光源反光杯的实体建模234.3.1 实际参考模型234.3.2 实体建模234.3.3 应用属性设置244.4 LED照明系统的仿真分析254.4.1 光照度分布图254.4.2 坎德拉曲线分布图264.5 L

14、ED照明系统的仿真分析与实际应用的对比284.5.1 测量环境及步骤284.5.2 测量结果的比对295 LED照明系统的优化设计及仿真325.1 LED光源的优化325.1.1 改变碗杯结构325.1.1 改变胶体结构345.2 LED光源反光杯的优化36结 论40参考文献41致 谢421 绪论1.1 前言半导体照明作为一种新兴的产业正在蓬勃发展。LED(light Emitting Diode)，发光二极管，逐渐成为一种重要的照明光源。LED技术开始于二十世纪六十年代。最初的LED，由于发光效率低、颜色单一等因素限制，只能用在仪器指示上。随着材料科学技术的进步，LED芯片技术在40年来有了

15、重大的进展。1993年日本日亚公司率先在蓝色GaNLED技术上突破， 并且在1996年实现白光， 使得LED应用在照明方面成为可能。LED具有体积小、重量轻、耗能少、寿命长、响应时间短及抗震性能好的优点。因此LED的研究引起各国的高度重视而得到迅速的发展1。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863

16、”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。随着LED技术的飞速发展，LED光源的应用也越来越广泛，从显示领域逐渐扩展到照明领域，LED照明灯具的设计也越来越受到光学设计人员的重视。在照明领域目前国内常用的光学软件主要分为两类：照明工程设计软件和光学器件设计软件。照明工程设计软件的作用是依据现有配光分布确定的标准化灯具为用户设计一套方案，提供相应的视觉需求。例如，DIALux、OxyTech、Agi32等就是比较常用的照明工程设计软件；光学器件设计软件的作用是依据光源的特点及期望的光学效果设计出相应的光学器件，例如LED用反光杯和透镜。目前，做光学器件设计的常用软件有ZEMAX

17、、TracePro、ASAP、LightTools等2。在选择软件的时候，要根据需要决定。市政设计院、道路照明工程公司主要使用照明工程设计软件，而灯具厂家主要使用光学器件设计软件。而且，即使是同类设计软件，其侧重点也不同。例如，TracePro用来做反光杯、反光罩设计比较方便，但用来做透镜设计就很困难；而ZEMAX比较擅长做透镜的设计。在实际设计中，有时需要将不同软件结合起来使用。而本论文侧重于对LED的封装及其反光杯的研究，所以本论文只使用TracePro来完成设计。1.2 LED发光机理及结构31.2.1 发光机理发光二极管的结构也是半导体PN结，通常是双异质结(同型异质结p-p或n-n和

18、反型异质结p-n共同组成)。结与结之间是产生荧光的复合区，叫有源区。对PN结正向注入电流，P区空穴向有源区扩散，N区电子向有源区扩散，结果电子与空穴在有源区复合，以一定频率的光能释放出来。但其载流子的复合过程有其特别的地方。载流子的复合机构有：直接符合导带中的电子直接跃入价带与空穴复合：间接复合载流子通过晶体中的杂质或者缺陷所形成复合中心的复合。LED与LD的根本区别在于：LED发光是基于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光；LD是靠两端解理面为谐振腔起反射作用来提供光的反馈，是基于受激辐射，发射的是相干光激光。LED的体积小，结构简单，耗电少，寿命长，造价低，是应用广泛、前景诱人的重要光源。1

19、.2.2 LED的材料与结构发光二极管的材料主要是-族化合物半导体，如GaP、GaAs、GaN等，有直接跃迁型和间接跃迁型之分。间接跃迁型材料的电子-空穴复合时，出放出光子外，还伴随有晶格振动，其发光效率比直接跃迁型要差。GaP属于间接跃迁型，GaAs、GaN是直接跃迁型。其中GaP，Eg=2.24eV，峰值波长555nm，绿光。GaP：ZnO，GaP中掺锌、氧，峰值波长700nm，红光。GaP：N，掺N量不同，可发绿光(568nm)或黄光(590nm)。GaAs， Eg=1.43eV ，峰值867nm，近红外光。GaN，LED的有源层是INGaN多量子阱，随组分的差异可发蓝光(450nm)和

20、发紫光(400nm)。InGaAsP，峰值波长1.3m。为提高LED性能，一般采用双异质结、量子阱结构。发光二极管又可分为面发光型和边发光型。面发光型的出光面与PN结构平面平行。边发光型是从PN结的一个端面(与结平面垂直)出光。面发光型LED的光功率较边发光型大，但出光面大，光发光角度也大，且由于全反射现象，与光纤耦合很差。边发光型LED出光面很小(0.2m2m)与光纤耦合容易。半导体材料往往折射率较高，如GaAs，n3.6。故在材料与空气的界面易发生全反射，使光不能辐射出去，如图1.1(a)所示少部分出射光的发光角度也较大。图1.1(b)、(c)都能有效地增加光输出。图1.1(c)用透明的高

21、折射率(n1.5) 塑料密封，头部铸塑成半球形，输出比(a)约增大三倍。因造价低，故大量采用。 (a)大部分全反射 (b)加微小透镜 (c)塑料封装图1.1 LED的结构1.2.3 LED的工作特性1、光谱特性LED的发光光谱决定于PN结材料的能带结构。LED发出非相干光，故其谱线宽度在几十到上百微米，用作彩色显示的LED，红、绿、蓝色彩鲜明。2、P-I特性LED的工作电流一般在十到数十毫安，发射功率一般是几百微瓦到豪瓦量级。P-I特性曲线的线性区很宽，无阈值电流。在电流较大时，PN结发热，发光效率较低，出现饱和现象。如图1.2所示。图1.2 P-I特性曲线1.3 LED光源反光杯的结构LED

22、光源反光杯的设计也就是LED光源的二次光学设计。二次光学设计的目的在于调节LED光源所发出的光线在空间中的分布，主要起到聚光作用。常用LED光源反光杯可以分为以下几类：1、二次曲面反光杯该种类型中包含有球面、抛物面、椭球面、双曲面四种。日常使用球面和抛物面作物反光杯。如图1.3所示。图1.3 球面和抛物面反光杯结构图2、矩形反光杯矩形反光杯由两个相互垂直的混合凹槽反光曲面构成。与二次曲面反光杯相比该类型反光杯并不是旋转对称轴，这有利于光能向某一方向集中。常用作投光灯的反光杯。如图1.4所示。图1.4 矩形反光杯3、自由曲面反光杯该类型多用于室内照明和汽车前车灯，它主要由多个曲面构成，多呈对称分

23、布。如伞状曲面和汽车车灯的混合曲面。如图1.5所示。 (a)曲面一 (b)曲面二 (c)曲面三图1.5 三种常见自由曲面发光板1.4 本论文主要完成的工作在本论文中，我们使用TracePro对某一高亮度的警用手电筒进行反向的仿真，按照其光学系统的各部分参数进行实体建模和材料及表面属性的设置，模拟得出其在照明平面上的光照度分布。我们通过对仿真结果及实际情况的光照度分布进行了比对，并对TracePro的仿真度进行评价。1、根据LED光源芯片的发光模型，利用TracePro进行光学建模，完成LED光源的一次光学设计。然后，根据实际使用的一个LED光源反光杯的模型进行建模，完成LED光源的二次光学设计

24、。最后对整个LED照明系统进行光线追迹，对其光照度分布图和坎德拉分布图进行分析。2、实验测量实际使用的LED照明系统的光强分布，与仿真模拟的光照度分布图做对比，对TracePro的仿真度进行评价。3、对LED的封装结构的不同对光强分布的影响进行分析研究。对LED光源反光板的内壁表面属性进行自定义，模拟出表面凹凸的散射效果，并对其光照度分布进行分析。2 照明技术理论基础及常用光学材料简介2.1 照明技术42.1.1 光度量发光强度(luminous intensity) 点光源向观察方向微小立体角内发射的光通量除以该立体角元，单位：cd光通量(luminous flux) 发光强度为I的光源在立

25、体角元d内的光通量为d=I d，单位：lm光亮度(luminance) 在表面的一点和给定的方向上，面元的发光强度除以该面元在垂直于所给定方向的平面上的正投影的面积，单位：cd/光出射度(luminous extiance) 在表面上的一点，离开面元的光通量除以该面元的面积，单位：lm/光照度(illuminance) 在表面一点，入射到面元上的光通量除以该面元的面积，单位：lx2.1.2 光源和灯具光源(light source) 由于能量的转变而能发光的表面或者物体。一般均指人工光源。反光杯(reflector) 主要利用反射现象改变光源的光通量空间分布的装置。漫射器(diffuser)

26、主要利用漫射现象改变光源的光通量空间分布的装置。探照灯(serchlight) 通常口径在0.2m以上，发出大致平行的光束的投光器。聚光灯(spot lighting) 通常口径在0.2m以下，发出开角在20一下的光速的投光器。泛光灯(flood lighting) 通常为投光照明而设计，使指向为任意方向的投光灯。灯具效率(luminance efficiency) 在规定条件下测得的灯具所发射的光通量与灯具内所有裸光源测得的光通量已和的比值。2.1.3 照明一般术语配光(luminous intensity distribution) 光强在各个方向的分布。配光曲线(luminous int

27、ensity distribution curve) 在包含光源的某一平面内，光源各个方向的光强用矢量大小来表示并将矢量端连接起来的曲线。配光曲线光束角的定义方式有两种：一种是由(美国)国际照明学会定义的标准，以最大光强的十分之一时的角度为光束角；另一种是由(欧洲)国际照明委员会定义的标准，以最大光强的一半时的角度为光束角。其中，我们国家以欧洲国际照明委员会为标准。在本篇论文中，我们所涉及的发光角度为两倍的光束角。如图2.1所示两种不同标准的发光角度的读取。 (a)极坐标配光曲线 (b)直角坐标配光曲线图2.1发光角度的读取由上图我们可以读取到发光角度为150(美国标准)或80(欧洲标准)。等

28、照度曲线(isolux curve) 在受照平面图上将照度相等的点连接起来的曲线。它与地图上的等高线概念相同。等光强图(isocandela diagram) 等光强曲线群。照明利用系数(coefficient of utilization) 到达工作面上的光通量与光源发出的总光通量之比。2.2 照明光学系统的特点5照明光学系统属于一种非成像光学系统，它不同于传统的成像光学系统，它注重于能量的分配而不是信息的传递。表2.1列出了照明光学系统与成像光学系统的区别。照明光学系统可以分为三个部分：光源、光学系统、照明平面。对绝大多数照明光学系统来说，对照明面的要求多是光照度的要求。因此，计算光源发出

29、的光线通过光学系统后在照明面上产生的光照度分布是十分必要的。表2.1 照明光学系统与成像光学系统的区别照明光学系统成像光学系统设计思路必须考虑光源(如LED发光面元)的尺寸，需要照亮的往往是一个立体空间不太考虑物方空间的亮度分布，在像方一般四成一个平面像评价方法没有物像共辘系统，在照明区域中任意一点的照度都是由光源上许多点发出的光能通过照明系统分配后叠加形成的，用光照度图和空间光强分布图进行评价物像空间有着相应的点与点对应的共扼关系，故可在视场中心和边缘选取几个抽样点，追迹光线到相应的像点，用垂轴像差、点列图或光学传递函数对系统的成像质量进行评价系统结构其形式是多种多样，如汽车前照灯的配光镜，

30、通常是由许多面型大小各不相同的柱面镜组合起来的，从灯丝发出的任意一条光线只通过一个柱面镜，这些柱面镜就构成了一组非顺序光学面，对非顺序光学面的数学处理和光线追迹要复杂得多虽然可以非常复杂。但在绝大多数情况下可以把其中的各光学面作有序排列，所有光线均按此顺序逐一通过各面2.3 常用光学材料的简介6常用光学材料包括光学玻璃、光学晶体、光学塑料三大类。2.3.1 光学玻璃1、无色光学玻璃无色光学玻璃按照国家标准GB903-87的规定分为两个系列：(1)普通光学玻璃系列；(2)耐辐射光学玻璃系列。根据不同的折射率和色散系数，无色光学玻璃分为18种类型。如氟冕玻璃代号为FK，轻冕玻璃代号为QK，冕玻璃代

31、号为K，火石玻璃代号为F，重火石玻璃代号为ZF。2、有色光学玻璃有色光学玻璃按照着色剂的种类不同，可分为硒镉着色玻璃、离子着色的选择性吸收玻璃和离子着色的中性玻璃。硒镉玻璃的着色剂是胶体状态的硒化镉CdSe和硫化镉CdS，他们以不同的比例加于玻璃中，由于胶体粒子对光的选择吸收，可以得到黄色JB、橙色CB、红色HB玻璃。当着色剂以离子状态存在于玻璃中时，这类玻璃就成为离子着色玻璃。离子着色剂主要是钴、镍、铜、锰、铀、钛等的氧化物。2.3.2 光学晶体晶体材料可以分为天然晶体和人工晶体。光学镜头可以用作偏光镜、红外和紫外的分光镜、复消色差镜头、闪烁晶体、窗口材料等。常见有方解石、电气石、水晶、黄石

32、等光学晶体。2.3.3 光学塑料1、王冕光学塑料PMMA，全称聚甲基丙烯酸甲酯，它具有优良的光学性能，可以与光学玻璃媲美，折射率与冕牌玻璃相近，故被人称为王冕塑料。PMMA的透射率在91%至92%范围，折射率约为1.491，机器稳定性好。虽然其线膨胀系数是玻璃的8到10倍，但不影响使用，温度下降后，还原能力良好，在加工中，易于模压成型。TracePro的材料库中，包含的王冕光学塑料有： PMMA、Lucite(甲基丙烯酸，俗称有机玻璃)、Acrylic(丙烯酸)。2、火石光学塑料由苯乙烯单体聚合制成的聚苯乙烯，属于热塑性塑料，折射率在1.578至1.6176之间，色散系数为30.2，透过率88

33、%，相当于火石玻璃，被称为火石塑料。在TracePro的材料库中，包含的火石光学塑料有：Styrene(苯乙烯)、Dylene(聚苯乙烯)、Styron(肉桂塑料，抗腐蚀性聚苯乙烯)、Ploycarb(聚乙烯)。3、环氧光学塑料最近几十年来，光学塑料发展较快，研制出各种体系，其中之一，就是一环氧树脂为主体制成或者与之相近树脂制成的光学塑料，我们称之为环氧光学塑料。TracePro的材料库中，包含的环氧光学塑料有：AOC、COC(环状聚烯树脂)。4、其他光学塑料聚碳酸酯(Polycarbonate)常用缩写PC，是一种无色透明的无定性热塑性材料。聚碳酸酯无色透明，耐热，抗冲击，阻燃，在普通使用温

34、度内都有良好的机械性能。同性能接近聚甲基丙烯酸甲酯相比，聚碳酸酯的耐冲击性能好，折射率高，加工性能好。由于其无色透明和优异的抗冲击性，日常常见的应用有光碟，眼睛片，水瓶，防弹玻璃，护目镜、银行防子弹之玻璃、车头灯等等。其中在TracePro的材料库中就包含有这种光学塑料，在材料库中的名称为Lexan。3 光学分析软件的简介3.1 TracePro简介7TracePro是一个实体模型的光学分析软件，TracePro用普适光线追迹技术来追迹光线，这种技术允许你引入光线到一个模型，而在物体和表面相交处并没有引起额外的损失。在每个交点，个体光线遵从吸收、反射、折射、衍射和散射定律。当光线在实体中沿不同

35、路径传播时，TracePro跟踪没条光线的光通量。TracePro计算光的吸收、镜面反射及折射、衍射和散射的能量。下面列出开始一个新的TracePro工程所需要的一些步骤：(1) 创建一个实体模型。第一步是建立或导入一个几何模型，代表你所希望的分析的系统。(2) 定义属性。材料和表面属性代表你所希望的物体所具备的特征，如吸收、反射、折射、吸收和散射等。你可以使用TracePro属性库里面定义好的材料和表面属性，也可以制定新的属性满足你具体的要求。(3) 应用属性。一旦定义好属性，你可以应用这些属性刀你模型中的合适物件和表面上去。(4) 追迹光线。通过实体进行光线追踪，需要定义光线起点，有如下几

36、种定义方式：栅格光源、表面光源和导入已有光源。如何引入光源到模型以及哪些光线追迹参数会被盗用，须根据实际情况来确定。(5) 分析。一系列的分析选项可以用来确定方位、区域和光线追迹后的光能量分布。分析选项有很多种，包括：辉度图、照度图、坎德拉图和通量图，还有详细光线历史信息，他们可以保存成数据文件，方便后期处理。3.2 TracePro的使用3.2.1 软件的打开和权限的选择在开始菜单中点击TracePro的打开方式。如图3.1所示。图3.1 TracePro 打开方式点击打开软件后，出现软件的使用权限选择框，按你所购买的软件权限选择标准或者专业用户。权限的不同功能有所区别。如图3.2所示。图3

37、.2 TracePro 权限选择3.2.2 用户界面进入软件后，将出现软件的图像化用户界面，如图3.4所示。图3.3 TracePro 用回界面图3.4 TracePro 菜单用户界面的最顶部为TracePro的菜单栏，它包含了软件的全部编辑工具和各类功能，分别是文件、编辑、视图、插入、定义、分析、报告、工具、宏命令、窗口和帮助。如图3.6所示。TracePro的工具栏为用户提供了丰富的快捷按钮，包含各类的常用工具。如文件的编辑工具、实体模型视图的显示工具、窗口的排列选择工具、实体建模的工具、光学追迹及光学分析工具。用户界面的中间部分为模型窗口，其中模型窗口的左边为系统树，它分级结构显示模型的

38、物体和表面。在复杂的模型中，它提供一种方便快捷的方式来对物体和表面进行选取。模型窗口的右边为工作窗，它显示了模型的3D实体图形及系统坐标。系统的默认坐标是，Z轴指向右，Y轴指向上，X轴在用户到界面的方向上。如图3.5所示。图3.5 TracePro 工作窗口3.2.3 实体建模在TracePro中允许简单实体的3D建模，Insert菜单中包含有：Primitive Solid初始物件(方体、柱体、圆锥体、球体、圆环和薄纸)、光学元件、反光杯、菲尼耳透镜、管道、桨型阻光片。如图3.6 Insert菜单及其窗口。 (a)Insert菜单 (b) Primitive Solid窗口图3.6 Inse

39、rt菜单及其窗口对与复杂的实体模型时，我们需要在ProE、Solidworks等CAD软件中进行。而TracePro提供了文件交互功能。可以很好地导入sat、prt等文件，其中TracePro与Solidworks的交互性最好。因此，本论文中复杂的实体模型建造都使用了Solidworks。3.2.4 应用属性一旦在TracePro中建立了实体模型，那么下一步就是给这个实体定义属性，以确定光线将如何相互影响。其中TracePro包含了已经定义好了的属性数据，用户可以根据需要选用，同时TracePro允许用户定义属性数据并能应用于实体之中。在Define菜单中选取Apply Properties，

40、弹出应用属性的对话框。实体常要定义的应用属性有：材料、表面属性、面光源等。如图3.7所示应用属性窗口。图3.7 应用属性窗口同过对实体添加应用属性，使实体具有特定的功能。例如，把一个面设定为一个面光源，把一个表面设定为镜面等，这些属于都要求在应用属性中选取。3.2.5 光学分析TracePro为用户提供了光学追迹、光照度图、坎德拉曲线等光学分析工具。这些工具都在Analysis菜单下可以选取使用。如图3.8所示Analysis菜单。图3.8 Analysis菜单通过光线追迹，和对光照度图及坎德拉曲线的分析，我们可以大致的评价一个光学照明器件的照明特性，并为实际的使用和改善提供指引。4 LED照

41、明系统的光学设计及仿真4.1 LED的光学建模4.1.1 LED光源建模的基本要素LED光源模型的三个基本要素是8：(1) LED发光面元的几何尺寸(2) 面光源的发光特性(3) 光强的空间分布为了很好地仿真出真实的LED光源，我们对美国Cree公司的XR-E LED进行反向的仿真。并按照其特性参数，在TracePro中设置LED的几何及应用属性。对于不同光通量的LED来说，它的面光源尺寸会有所不同。光通量越大，它的面元尺寸就相对的增大。常用100lm的高亮度LED的面光源尺寸大约为1mm*1mm，常用200lm的高亮度LED的面光源尺寸大约为2.5mm*2.5mm。其中我们要进行的仿真的Cr

42、ee LED的光通量为100lm。LED的发光特性可以近似为朗伯发射面。朗伯发射面就是，在某一方向上的发光强度等于这个面垂直方向上的发光强度乘以方向角的余弦，这样的发光面称为朗伯发射面或朗伯体，有时也叫均匀漫射面或均匀漫射体，还常被称做余弦漫射体9。其发光模型如图4.1所示。图4.1 LED 朗伯特性图4.1.2 LED的封装常见的LED封装结构有两种。一种是引脚式封装，这也是我们日常最普遍的使用的LED。另一种是表面贴装式封装，其封装技术可以很好地解决了LED亮度、视角、平整度、一致性等问题，采用更轻的PCB板和反射层材料，在显示反射层需要填充的环氧树脂更少，并去除较重的碳钢材料引脚，通过缩

43、小尺寸，降低重量，可轻易地将产品重量减轻一半，为电子行业发展的大趋势10。而我们要仿真的Cree的LED就是使用这种表面贴装式封装，在LED面光源的表面上填充光学塑料，而这种光学塑料的特性我们无法从它的说明书上获得。但我们可以在TracePro的材料库中找到光学塑料的材料库，里面包含了数十种的光学塑料的特性。我们也可以自定义一种材料特性来吻合我们的需要。由于不同的封装结构会对LED的发光强度分布造成影响，所以我们在设置LED的几何尺寸的时候，要考虑到不同结构的LED封装会对光强造成怎样的影响。我们先从Cree的LED手册上的LED模型入手，对其进行实体建模。然后分析其光强分布，跟手册上的相对光

44、强分布进行对比。下面我们介绍几种常见的表面封装结构：1、圆锥11在TracePro中设置一圆锥，底面圆半径为0.8mm，顶面圆半径为1.2mm，高度为0.85mm，圆锥以材料coc填充，coc对0.4861um波长的光的折射率为1.54。如图4.2所示COC材料属性。图4.2 COC材料属性下面是外形图，光照度图和坎德拉曲线。（a）实体图 （b）光照度图 （c）光照分布曲线图4.3 圆锥封装及其光学分析2、 方锥设置一方锥，底面正方形变长为0.8mm，顶面正方形1.2mm，高度为0.85mm，方锥以材料coc填充。下面是外形图，光照度图和坎德拉曲线。 （a）实体图 （b）光照度图 （c）光照分

45、布曲线图4.4 方锥封装及其光学分析3、 半球形这也是我们要仿真的Cree公司的一种LED。下面附上其手册上的LED模型及几何尺寸。图4.5 Cree LED的实体参数在下一节，我们将在TracePro详细的介绍如何建立起这个LED实体模型。4.2 TracePro中的LED实体建模4.2.1 建立实体模型第一个步骤，建立LED的发光面元。在InsertPrimitive Solids中新建一个1*1*0.1的Block实体(系统默认单位为mm)，其坐标中心要设置在反光杯的焦点位置上(为反射出平行光)。（a）Insert参数 （b）建模实体图4.6 步骤一第二个步骤，再在InsertPrimi

46、tive Solids中新建一个半径为2.8mm的Sphere实体，其球心坐标位于面光源上。（a）Insert参数 （b）建模实体图4.7 步骤二第三个步骤，在InsertPrimitive Solids中新建一个半径为2.8mm的Cylinder实体。 （a）Insert参数 （b）建模实体图4.8 步骤三之一先在系统树选择球体(被减物体)然后选择主体(减物体)，接着选择EditBoolean里面的Subtract运算得出半球体。 （a）Edit选项 （b）建模实体图4.9 步骤三之二第四个步骤，再InsertPrimitive Solids新建一个半径为3.4mm，高为1.6mm的Cyli

47、nder实体作为底座。 （a）Insert参数 （b）建模实体图4.10 步骤四第五个步骤，在添加一个贴片底座。InsertPrimitive Solids新建一个7*9*0.8的Block实体底座。 （a）Insert参数 （b）建模实体图4.11 步骤五完成以上五个步骤后，LED实体的简单建模就完毕。下面将对面光源发光特性、半球体的材料属性及底座表面属性进行设置。4.2.1 设置应用属性首先，对面光源进行设置。设置内容包括：光通量、进行光线追迹的光线数量。Cree的LED光通量已知，为100lm。对于光线数量，仿真设置有一定量的要求。因为光线数量直接影响到系统的仿真度，因此光线数值往往要设

48、置的比较大。光线数量的设置通常要限制在10000条光线以上，为达到高精度仿真高级用户会设置在10万条以上，但同时也会带来运算速度过长的缺点。建议在所有的属性设置完毕，实体基本定型后，才设置较大的光线数量。第一步，在系统树或者使用快捷工具选取LED面光源的发光表面。右键点击，出现快捷菜单，选取Properties进入应用属性设置窗口。第二步，在属性窗口中选中Surface Source栏。在Surface Source栏下的Source中选取Flux发光模式及填入光通量，在Total中设置光线数量，注意Angular里面默认设置为Lambertian这个将决定面光源的发光特性。最后点击Apply

49、，完成面光源设置。 （a）用户窗口树 （b）应用属性窗口图4.12 应用面光源属性然后，对半球体的材料属性进行设置。第一步，在系统树选取半球体。右键点击，出现快捷菜单，选取Properties进入应用属性设置窗口。第二步，在属性窗口中选中Material栏。在材料库Catalog目录中，选取光学塑料库PLASTIC，在名字Name后选取光学塑料COC(环氧树脂)作为半球体的封装介质。同时，在Material栏中显示了，所选材料的光学特性。最后点击Apply应用材料属性。 （a）实体模型 （b）应用属性窗口图4.13 应用光学塑料属性最后，对底座的表面进行设置。主要是定义，圆柱底座的前曲面为镜面

50、，其他表面假定为吸收面。以圆柱体的前曲面的设置为例：第一步，也是要选取曲面，然后右键选择特性菜单进入属性窗口。第二步，在属性窗口中选中Surface栏。在面属性库Catalog目录中，选取Default(默认选项)，在名称Name后选取所要定义的面属性。TracePro中自带了镜面Mirror、漫反射白板Diffuser White、黑色吸收板Black Paint等表面属性，当然用户也可以自行定义表面属性。图4.14 应用镜面属性点击View Data查看Mirror的参数，其中Mirror为默认参数，不允许修改。在下面一节中，我们将会详细的说明表面散射的定义，并且为反光杯定义一个凹凸不平的

51、抛光表面。图4.15镜面属性参数4.3 LED光源反光杯的实体建模4.3.1 实际参考模型因为，反光杯的几何结构会对整个LED照明系统的光照度构成影响。因此，我们有必要对反光杯的仿真建模独立一节来解析说明。同时，我们会对反光杯的表面属性进行定义，定义一个凹凸的散射表面，并观察它对光照度分布影响。下面，我们对某一品牌的手电筒的LED反光杯进行建模。首先，我们获得了其几何结构的参数。第一步，我们要知道其曲面类型。第二步，我们要计算其焦点位置。如下图所示的反光板结构图。其中，曲面为抛物面，抛物线方程为y=0.16x2，通过计算我们可以知道焦距在1.5625mm的位置上。图4.16反光杯实际几何参数4

52、.3.2 实体建模对照上面的反光杯设计图，和计算的焦距。我们先在TracePro中建立反光杯的实体模型，再对其表面属性进行设置。第一步，选取InsertReflector进入反光杯的添加窗口，选取Conic栏(默认设置)。第二步，在Conic栏下的Shape选项中选取Parabolic抛物曲线，在Calcualt变量中选取长度(因为反光杯的开口直径和抛物线方程已知)。第三步，按照图纸输入反光杯的厚度、底面开口的半径、杯口的直径、抛物线焦距。最后，点击Insert插入反光杯。 （a）Insert参数 （b）实体建模图4.16 反光杯的建模根据实际使用的需要，我们需要在反光杯外加一个PC材质的平面

53、增透镜，以保护反光杯。同时我们还需建立一个观察平面，以观察光照度的分布。其建模过程不再详细说明。4.3.3 应用属性设置对于反光杯的属性设置，主要集中在于反光杯内壁表面的设置。其内壁表面的属性直接影响到光照度的分布。一般情况下，其表面设置为抛光镜面Mirror，在其他特殊情况下，一些反光杯内壁会使用随机凹凸的抛光面以达到均匀光照的效果。但在反向仿真的过程中，我们发现随机凹凸的表面处理效果比较难实现，也带来繁琐的运算量。为了达到均匀光照的效果，我们试图改良其表面属性。通过自定义的表面属性来达到这种凹凸不同的表面效果。第一步，选取内壁表面，然后右键选择特性菜单进入属性窗口。第二步，在属性窗口中选中

54、Surface栏。在面属性库Catalog目录中，选取Default(默认选项)，在名称Name后选取Mirror面属性。第三步，点击Apply应用属性。至于反光杯的其他表面，我们都把它们定义为Black Paint吸收面属性。其应用属性的这种同LED芯片设置时相同。至此，一个简单的LED照明系统就这样建立起来。下一节中，我们将对LED光源的芯片和整个LED照明系统进行分析，分析其光照度分布和配光曲线。4.4 LED照明系统的仿真分析对LED照明系统的分析评价有两种：一种是光照度分布图，另一种是坎德拉曲线或称为配光曲线。要获得高精度的分析评价，LED光源所要模拟的光线数量必然适当的增加。在测试

55、中，我们使用了10万条的光线进行光线追迹。4.4.1 光照度分布图在TracePro中，查看照明系统的光照度分布图可以通过AnalysisIrradiance Maps来观察。要获得光照分布图，首先就要定义一个观察平面，然后选取观察平面的某一表面作为参考面。光照度分布图的选项是通过选择AnalysisIrradiance Options的Irradiance Options选项来设置的，或者在光照度图上点击鼠标右键选择Irradiance Options来设置。下面，介绍选项中的几个重点设置。Quantities to Plot是选择显示的图的类型，光照度图选择Irradiance。Rays

56、to Plot是选择观察部分还是全部光线，我们通常选择Incident。在Display Options栏中，我们需要勾选Smooting和Gradient Display对光照度图进行高斯平滑处理，勾选Profiles显示照度图的截面轮廓图。其中Map Country为定义照度图平滑效果的常数，建议取用较大的数值，例如50。Color Map为照度图的色彩选择，常用Grayscale on Black或者Color(rainbow)on Black这两种色彩效果。图4.17 光照度分布图属性设置窗口完成以上的设置后，我们重新选择AnalysisIrradiance Maps就可以观察到光照度

57、分布图。如下图所示在2m出观察屏所观察到得两种不同色彩设置情况的光照度分布图。（a）光照度图 （b）光照度分布曲线图4.18 彩色的光照度分布图（a）光照度图 （b）光照度分布曲线图4.19 灰度光照度分布图灰度的光照分布图难于测量其光斑大小但与实际观察的结构相同，而彩色光照分布图易与测量其光斑大小，所以仿真时这两种分布图都要采用到。由光照度分布图我们可以看出，LED照明系统在2米远的观察平面上的光照分布情况。LED照明系统的光照主要集中在直径为100mm左右的光斑上，光照比较集中。可以说明此照明系统适合于远距离的照明使用。4.4.2 坎德拉曲线分布图要显示坎德拉曲线分布图，首先选择Analy

58、sisCandelabra Options进行设置。属性对话框分成四个栏目，对于坎德拉分布图，我们只要设置Orientation and Rays以及Candelabra Distribution栏。在Orientation and Rays栏中，我们首先要设定法线方向和向上方向，其次要在Ray Selection中选择逃离光线、表面出射光线或者表面入射光线作为坎德拉图的数据，其中选取表面出射光线或者表面入射光线要首先选取某一参考表面。图4.19 坎德拉曲线属性选取之一在Candela Distribution栏中，我们要选取Smoothing及填入平滑系数，在Polar Distributi

59、on中勾选Luminare及填分布图极坐标的角度范围。图4.20 坎德拉曲线属性选取之一完成以上设置后我们选择AnalysisCandelabra Plots，然后选择Polar Candela Distribution观察极坐标的坎德拉曲线分布图。或者选择观察矩形的坎德拉曲线分布图。其中，矩形的坎德拉曲线分布图更易于观察其光强的分别。如图4.21所示为LED芯片的光线追迹图和矩形坎德拉图。 （a）光线追迹图 （b）矩形坎德拉曲线图4.21 LED芯片的光线分析由上图的矩形坎德拉分布图我们可以大致的估计该LED芯片的发光角度为120。图4.22为整个LED照明系统的光线追迹图和矩形坎德拉图。

60、（a）光线追迹图 （b）矩形坎德拉曲线图4.22 LED照明系统的光线分析由矩形坎德拉分布图我们可以大致的估计该LED照明系统的发光角度为15，光线比较集中，适合远距离照明使用。4.5 LED照明系统的仿真分析与实际应用的对比4.5.1 测量环境及步骤在测量强光手电筒的光照分布时，为了避免照相机的摆放角度对光斑形状及大小造成影响，我们使用背面拍摄的方法。在手电筒跟照相机之间摆放一可透过性的白屏，从白屏背面可以很好地观察和拍摄手电筒的光斑。如图4.23所示测量的原理图。测量工具有：强光手电筒、载物台、白屏、照相机、米尺。图4.23 测量的原理图测量步骤主要分为两步：(1) 调平准直。选取地面上的

61、一直线作为法线方向，然后测量手电筒到地面的高度和手电筒在实验室最远处光斑中心到地面的距离，如果距离一致说明手电筒和光斑已经在同一方向上。(2) 测量光斑大小。从远到近，按照一定得距离间隔拍摄光斑大小。拍摄过程中，照相机不能开闪光灯，而且白屏与照相机的距离保持在1.5米左右。实际的测量环境如图4.24所示。图4.24 测量环境4.5.2 测量结果的比对我们从远到近测量到了8组数据，现在我们对1m、3m、5m这三组实测数据和在同样距离下的仿真分析的数据的作比对。由于实际光线是无限的，TracePro不可以完全的模拟出所有光线，因而我们只能够通过比对其光照分布，测量其光斑大小而作出判断。1、距离为1m情况下的实测与仿真比对。 (a)1m处实测光斑 (b)TracePro仿真分析光照分布图4.25 1m处实测结果比对如图4.25(a)实测光斑所示，在1m的距离情况下，光照大部分集中在中心的一个光斑上，我们测量到这个光斑大约为15cm。其中，黄色的圆环是由于其透镜使用材料是有色材料而造成的，我们忽略其影响。在图4.25(b)TracePro仿真分析的光照图上我们也可以大概的估计到光斑的大小为14cm。