LED光学系统论文（精选6篇）
LED光学系统论文 篇1
0 引言
摩托车前照灯选择LED作为光源, 具有以下优点:
超长寿命:比摩托车寿命还要长, 可以说LED车灯无需更换, 并且LED的工作寿命随着技术的突破和进展将不断增加;
耐久:LED器件的光产生机构使它抗振动和耐冲击, 而热灯丝白炽灯遭受振动和冲击时发光易失效[1]。
无污染和低能耗[2]:LED不包含水银, 生产和使用过程中无污染, 而且能耗低。灯光的利用率更高, LED产品具备比卤素灯更高的光电转换效率[2], 当今LED大批量生产都在100 lm/W以上, 卤素灯20 lm/W (图1) , 未来还将进一步的提高。一般做摩托车前照灯用的白炽灯能耗超过60W, 而用4颗标准小于3 W大功率LED代替。即使包括控制单元用电在内, 整灯消耗不超过12 W。
色温更高:超过5 000 K, 因此更接近日光色, 这对驾驶员是非常舒服的, 由于该LED前照灯全部采用LED冷光源, 发热量低, 灯腔内温差变化不大, 不容易在灯腔内壁积雾, 尤其对远光灯更是如此, 使行车更为安全。
1 摩托车前照灯的技术要求
摩托车前照灯由远光灯、近光灯构成, 前照灯的配光应使近光具有足够的照明并不眩目, 远光具有良好的照明。远光灯接通点亮的时候, 近光灯也同时在接通点亮状态。
摩托车前照灯光型, 无论是近光灯还是远光灯, 都需要符合一定的光强分布。采用测试点、测试线和测试面的方式可以确定在不同的垂直角度和水平角度上的用坎德拉为单位的光强值。这些参数已被制定为国家标准或工业推荐值。例如对于一个摩托车近光灯, 其光型分布要求需要基于以下几点来确定:
(1) 要有足够的路面照度和照射宽度, 路面照明的均匀度, 保证足够的可见距离;提供路面足够的亮度, 光的投射宽度足够大;为驾驶员提供安全性;
(2) 对迎面而来的车辆驾驶员的眩光限制;
(3) 灯具光束的照射位置和光强性能;
(4) 为驾驶员的舒适度提供一定的发散光及前沿光。
配光应在前照灯基准中心前25 m[3], 过HV点的铅垂配光测试屏幕上测定, 配光测试屏幕的具体布置 (见图2) 。
1.1 近光灯配光要求
(1) 如图1所示的配光屏幕上, 近光应产生明显的水平明暗截止线, 并在V-V线左右至少5°范围内保持整直和水平。距H-H线下250 mm形成一个水平明暗截止线;该截止线主要有两个功能:控制眩光和辅助瞄准。并且近光范围在Ⅳ区范围内必须保证有一定标准的光照度。
(2) 在配光屏幕上, 各测试点或区域的照度限值, 应符合表1的规定。
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1.2 远光灯配光要求
(1) 在配光屏幕上, 远光的最亮区域偏离H-H线上下不得超过0.6°。
(2) 在配光屏幕上, 远光最大照度、测试点或测试区域照度的限值应符合表2的规定[3]。
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2 摩托车前照灯的光学设计
根据以上摩托车前照灯配光标准和特性, 本文主要研究和探讨比较复杂的摩托车远近光灯配光原理。对于远近光灯来说, 需要解决两个主要的技术问题:
(1) 保证良好的道路照明要求, 对远处的危险物尽早做出判断, 这就要求灯光亮度要高, 照射范围要大;
(2) 是防止迎面来车辆的驾驶员眩目, 产生危险, 所以要求灯光高度要稍低一些, 不可以对相对行驾车辆驾驶员的视觉产生影响。
对LED光源而言, 目前国内外还没有正式出台LED前照灯的生产检验标准, 国内国际上均采用传统白炽丝光源标准。在我国, 摩托车前照灯的光分布标准 (GB5948-1998摩托车白炽丝光源前照灯配光性能) , 是一个行业执行的国家标准, 所有在道路上行驶的车辆都必须遵守。其中近光是一个长条形光带, 中间是一个比较高亮度的区域, 以便尽可能远的照亮前方的道路, 并且不会对相对方向车辆的驾驶员产生眩目影响。近光光束在水平方向有所散开, 以利于辨清道路周边及行人的情况, 近光灯需要有非常明显的光束明暗截止线。
前照灯在所有摩托车灯具中是结构中较为复杂、设计要求高、设计及制造难度的较大的一种, 而配光设计就更具挑战性的研究课题;近光灯在前照灯中有最为严格的光形要求, 也就成为摩托车前照灯最为关健的技术之一。
2.1 近光灯设计
本文中近光灯采用双层透镜LED发光装置。原理是LED芯片发光面形状大多数是接近正方形或矩形 (图3) , 这是由于芯片在加工切割和封装时的工艺所形成。
传统的反射方案、折射方案和投射方案等对发散性光束都较难产生鲜明的明暗截止线。在这里正是利用LED芯片发光面最原始形状的这一特点, 在LED的轴向正前方, 内层安置光学凸透镜, LED的发光中心位于光学凸透镜焦点F处, 而且LED芯片齐边要平行于照射的水平明暗截止线;再通过凸透镜对LED光源进行聚光折射, 得到了与LED芯片发光相同形状的倒像光斑, 如图4所示。
由于凸透镜成像原理, 凸透镜焦点聚光折射所得的LED光斑是与LED芯片发光形状的成倒像, 而且使用的LED芯片发光面面积越大, 产生的光斑面积就越大, 照度更均匀。
在透镜的外层加上竖纹波形光学透镜, 使聚光成像的光斑进行再次光学整形;在竖纹波形光学透镜的折射下, 光形进一步向两则扩宽, 如图5所示。
由于内层聚光凸透镜已把LED光源原有的芯片发光面形状得到最清晰投射, 再由外层的竖纹波形透镜, 把第一次聚光后的光斑进行再次调整分配, 以达到最佳宽广但不高的光形效果, 同时确保光形上面是一条较为清晰的明暗截止线, 才能达到近光的技术要求, 如图6所示。
双层透镜LED发光装置充分利用LED光源的原始发光面形状特性进行配光, 使光源的光损减到最小, 同时减小了复杂的光学设计。投射光形明暗截止线有非常尖锐的截止面, 图形清晰、边界分明可控性强, 避免LED以往使用复杂的曲面和遮光板而造成较大的光能损耗。该发光装置的设计和加工更加灵活、简单、高效和易于实现。
2.2 远光灯设计
远光灯相比近光灯的配光图形要求简单得多, 远光考虑到无其他行人或近距相向车辆的情况下, 能为驾驶员提供良好的照明, 因此远光需要较大的中心光强, 两侧呈现阶梯性逐渐减弱, 这样才能照得远和要顾及两侧路面的状况, 而对于明暗截止线则没有明确的限制。
本文中远光灯装置的设计采用抛物面反光杯反射和透镜折射组合而成, 同时又分两种不同装置结构组合形式。
抛物面反射原理是根据抛物线的几何特性, 反光杯位于LED的侧面, 其反光面为抛物线围绕反光杯轴线旋转而成的一个抛物面, LED的发光中心位于抛物线的焦点上, 通过抛物面的反射作用, 对位于焦点上的光强作聚焦反射, 反射后的光束沿着反光杯的轴线方向平行地向前照射, 如图7所示。
F——光源, M——反射光线
根据抛物线方程y2=2px (p=2F) 。
反光杯采用该形式的优点是设计比较灵活, 容易实施, 光斑集中明亮, 照射距离远。
2.2.1 远光装置结构1
第一种远光装置结构是抛物面反光杯反射加竖纹波形透镜折射的配光设计, 如图8所示。
该装置结构原理是由抛物面反光杯对LED光源进行聚光反射出平行的光束, 然后再经过外层的竖纹波形透镜对反光杯聚光后的光斑进行再次光学分配, 使发光的光斑由圆形向两则扩宽为长条状光斑, 如图9所示。
该装置结构LED光源经反光杯聚光平行反射, 再经外层竖纹波形透镜折射向两侧扩宽配光, 所得的光斑图形是中间照度最强, 两侧逐渐减弱的长条状。反光杯和竖纹波形透镜的设计和加工简单、易于实现, 光斑图形清晰。
2.2.2 远光装置结构2
第二种远光装置结构是抛物面反光杯内加装凸透镜的配光设计, 如图10所示。
该装置结构原理是LED光源轴心线外层光线经抛物面反光杯反射聚光, 而LED光源轴心线内层不能被反光杯反射的光线, 则由内层凸透镜进行折射聚光。通过外层抛物面反光杯反射聚光形成的光斑和内层凸透镜折射聚光形成的光斑进行叠加组合, 大大增强了光斑的亮度 (如图11) 。这样就充分地利用LED发光角度特性进行较完全的聚光, 同时由于凸透镜阻挡了LED正前方较强的直射光线, 也就减少了LED直射光线对行人及相向车辆驾驶员的视觉伤害。
该结构中反光杯和凸透镜的设计和加工也容易简单, 产生的光斑光强高, 照射距离远。
2.3 摩托车前照灯配光设计
鉴于目前单颗大功率LED的实际光通量 (不超过400 lm) , 尚不能满足摩托车前照灯标准的要求, 必须依靠多颗LED组合才能达到前照灯的配光设计。因此, 本设计使用4颗大功率LED作为配光模块;近光灯采用了1颗大功率LED进行配光设计, 远光灯采用3颗大功率LED和近光灯同时点亮, 而且实际照明的时候远光灯是4颗大功率LED同时点亮。
在配光过程中, 针对每个发光装置分别配光, 使每个发光装置发挥着不同的作用。近光灯组使用双层透镜配LED光源形状进行聚光和配光。远光灯组光学设计采用兼并两种发光装置结构, 第一种装置结构是内层抛物面反光杯加外层竖纹波形透镜配光;第二种装置结构是抛物面反光杯反射和凸透镜折射分别对LED光源进行聚光。
图12所示, 中间下方的1颗大功率LED采用双层透镜装置分步配光设计, 最终光斑成为宽广的图形, 并且在上方形成一条极为鲜明的明暗截止线。中间上方的1颗大功率LED采用抛物面反光杯加竖纹波形透镜发光装置设计, 光源聚光后形成明亮的光斑再向两侧扩展和扩宽, 使车的前方两边一定范围的路况也受到灯光照射。其余两侧各1颗大功率LED采用抛物面反光杯反射和凸透镜折射光束叠加发光装置设计, 进一步加强车灯正前方中心的光强, 使得3颗大功率LED发出的组合光斑, 中心最亮点等都要能超过标准的要求, 形成HV点的照度最强, 两侧照度逐渐减弱的分布情况。
摩托车前照灯发光装置组合模块采用了圆周分布方式, 在不影响光线收集率的条件下将各个发光装置整合起来, 形成一个整体;同时远近光两组中心线也必须要互成一定的角度, 经计算为2.50, 才能满足摩托车前大灯远近光配光在暗室25 m测试屏幕图形和参数要求。
3 结语
本文中折射式和反射式不同组合光学系统设计的LED摩托车前照灯, 经样品实验室检验测试:在检验规定的配光性能的距离前照灯基准中心前25 m的配光屏幕上测量, 如表3和表4。近光和远光的照度测试结果都能满足GB5948-1998摩托车白炽丝光源前照灯配光性能要求。
目前, 国内市场上还没有符合国家标准的LED摩托车前照灯灯具。本文中的摩托车前照灯光学系统设计样品经测试结果显示, 都满足GB5948-1998摩托车白炽丝光源前照灯配光性能摩托车检验标准要求, 正好填补这一方面的空白。该灯具系统发光装置采用了多项创新技术, 产生极佳的照明效果, 真正发挥LED光源绿色环保节能的优点, 有效减少摩托车整体能源的消耗, 也标志着LED摩托车前照灯技术进入一个崭新的时代, 同时为LED摩托车前照灯带来很好的发展机遇。
参考文献
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[3]GB5948-1998.摩托车白炽丝光源前照灯配光性能[S].
LED光学系统论文 篇2
近几年,在科技部、信息产业部等的大力引导下,半导体照明产业人气鼎盛,其中LED封装业由于进入门槛相对较低,吸引了大批资金,取得了可喜成绩,新型LED器件不断涌现,大功率LED器件封装水平接近国际先进水平并可量产。但一个不争的事实是我国LED封装业装备依赖进口,企业规模不够大,封装工艺研究投入不足,工艺水平总体不高。这种状况严重制约了产业的发展[1]。
目前,Luxeon支架式封装作为大功率LED的基本封装形式被广泛采用,这种技术采用表面贴装技术。在Luxeon式封装中,芯片一般通过合金焊料固晶键合在金属热沉上,芯片的阳极和阴极通过金线键合到独立的引线框架上。利用聚碳酸酯(Polycarbonate PC)制成的光学透镜扣在LED框架顶部,在光学透镜和LED框架之间用柔软的硅胶材料进行填充。这里需要解决的关键问题是,由于此处的光学透镜外边缘有注胶孔位和排气孔位,需要将光学透镜精确地扣在LED框架的对应位置上。目前国内大都利用人工或非视觉机械方式完成,效率低,精度不高。本文正是针对此情况进行了光学透镜扣帽机的飞行视觉系统设计,提高生产效率。光学透镜及其安装方式如图1所示。
光学透镜扣帽机的工作原理是吸嘴吸取振动盘送来的光学透镜,然后送到视觉系统对吸取的光学透镜底部扫描成像。由于使用合适的吸嘴保证了吸取的光学透镜纵向倾斜角度α为0,所以只需考虑横向旋转角度β。视觉系统计算出光学透镜横向旋转角度后向执行机构发出旋转指令信号,执行机构最后将光学透镜精确扣在LED框架的对应位置上,完成扣帽工作。
本文针对当前国内LED封装生产设备中对大功率LED光学透镜的自动安装需求,应用高性价比的Blackfin DSP处理器设计了一套嵌入式高速高精度图像处理系统。本系统摒弃了传统的PC视觉系统方案,应用嵌入式技术单机实现了高速图像采集和处理,多任务执行和简易人机交互的操作功能。
1 系统硬件结构设计
系统主要由ADSP-BF533处理器,线阵CCD传感器TCD1209D及相应的驱动IC(如CPLD和CSP),SDRAM,FLASH,键盘串口通信,VGA控制器和DM9000A以太网控制器构成,系统总体硬件结构如图2所示。
1.1 Blackfi n DSP处理器应用系统
该系统采用了ADI公司Blackfin系列的ADSP-B F 5 3 3作为图像采集和系统控制的主处理器。Blackfin系列处理器采用基于Intel和ADI联合开发的微架构(MSA),一种集成了微控制器(MCU)和DSP功能的高性能器件,兼备一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加器,使其集强大的信号处理性能和易用性于一身。BF533处理内核能以最高600MHz的指令执行速率运行,使系统具有1200MMAC的运算能力;还具有并行外设接口PPI,支持ITU-R 656视频数据格式,易于图像数据的接收。
系统扩展了一片16M×16Bit共32MB的PC133SDRAM,保证系统的内存使用要求。同时,系统采用8引脚SPI工作方式的FLASH用于程序存储,比一般的NORFLASH体积小,以精简电路设计。此外,系统还扩展了一片NAND FLASH,可实现大容量任务信息记录功能。
1.2 图像采集单元
系统采用了THOSIBA公司的高速线阵CCD传感器TCD1209D,其具有2048个有效像素单元,行扫描频率可到10000Hz。本方案采用ALTERA公司的CPLD产生线阵CCD的驱动时序。同时,采用TI公司高性能的CSP(CCD Signal Processor,CCD信号处理器)芯片VSP1021对CCD信号进行采样。CSP包括三个主要模块:相关双采样(CDS),可编程增益放大器(PGA)和高性能ADC。
相关双采样是根据CCD输出信号和噪声信号的特点而设计,它能消除复位噪声的干扰,可以显著改善信噪比,提高信号检测精度。所采用的CSP提供了一个分辨率为10位、增益范围为0dB-36dB的可编程增益放大器,增益系数可通过串口配置CSP相应寄存器设置。同时,CSP内含一个高速,低功耗的ADC,实现CCD模拟信号采样。
这里CPLD同时完成线阵CCD的驱动时序和CSP的采样时序,最后图像数据通过BF533视频接口接收。
1.2.1 CCD驱动程序设计
采用的线阵CCD需要6路驱动信号才能正常工作,分别是两互为反相的时钟信号CR1和CR2、信号输出时钟信号φ2B与CR2同频、像元复位信号RS、像元钳位信号CP和行转移同步信号SH。各个驱动信号必须严格按照CCD相位时序要求,才能保证CCD的正常工作。CPLD通过计数分频的方式可以方便的得出CCD的驱动信号。为提高信号输出驱动,这些信号事先反相后再经过反相器输出。
同时CSP需要一些驱动信号,主要包括像素时钟信号ADCCLK,相关双采样信号SR、SV,光学暗电平校正信号OBCLP,钳位控制信号CLAMP。这些信号由同一片CPLD提供,按照时序要求和CCD的模拟输入信号的有效信号(2048个像素)的时间段给出CSP的驱动信号,最后直接转换为CCD有效数字信号。
得出的CCD有效数字信号送回CPLD,再由CPLD输出行同步HSYNC,场同步VSYNC,像素时钟PCLK和像素数据D7-D0,最后通过BF533的视频接口PPI接收并以DMA的方式存储在BF533的SDRAM中完成图像采集。CCD和CSP的驱动时序如图3所示。
1.2.2 CCD图像采集参数设置
实际应用中需要根据检测要求调整CCD的行频率,可通过增加光积分时间实现,即增加CCD输出哑像元的个数。
系统设置两种方式调整CCD的行频率。一种是内触发方式,通过写入CPLD内部相应寄存器的值以调整光积分时间,调整范围可达1K～10K。另一种是外触发方式,可根据生产线中给出的速度同步信号进行行频率的自动调整,速度同步信号频率不一定适合CCD行频率,此时可对速度同步信号分频以降低行频率,分频比的设置与设置光积分时间同理。
系统通过设置CSP的增益系数可调整CCD的曝光增益。所有参数设置采用模拟SPI的方式,利用DSP的三根IO线,分别用于时钟线SCK、数据线SDA和片选线CE,通过发送地址+数据的形式,可分别对CPLD和CSP内部寄存器的值进行设定。当CE为高时,设置CPLD;CE为低时,设置CSP。只用三根IO线即可分别对两片IC进行参数设置,减少了处理器IO资源的利用。
1.3 图像显示与控制
本视觉系统设计了一个简单的人机交互界面,具有VGA输出显示和以太网通信功能,操作人员可以根据外接显示器观察拍摄的图像效果并利用键盘与DSP串口通信进行参数设置,或通过网络连接方式远程监控和设置系统。
构建的VGA控制器结构框图如图4所示,利用成本低的CPLD+SRAM+DAC的方案实现。该控制器具有标准的16bit 8080总线接口,DSP通过异步总线接口EBIU与VGA控制器链接。VGA控制器占用异步总线的一个片选单元,并映射到固定的一段内存区域。DSP把要显示的内容写入这段内存区域,等到要显示内容的时候通过Memory DMA的方式把显示数据发送到VGA控制器,由VGA控制器完成显示器上界面的动态刷新。
系统以D M 9 0 0 0 A作为以太网控制器。D M 9 0 0 0 A单片集成了1 0/1 0 0 M以太网M A C和PHY,带硬件IP/TCP/UDP校验和生成功能,具有较高的集成度和性能。通过网络连接即可对系统进行远程监控和设置。由于其与DSP的链接方式与VGA控制器类似,这里不再详细叙述。
由于采用了Memory DMA的方式发送数据,保证显示器界面更新的同时,也节省了大量的CPU时间。
2 软件框架设计及处理算法设计
在嵌入式处理系统中,往往具有多个任务同时运行的情况,使用成熟的嵌入式操作系统管理各个任务有助于提高系统的稳定性和实时性,还可降低开发难度。由于Blackfi n处理器不带内存管理单元(MMU),不能运行像Linux之类的大型操作系统,如uC/OS II、uCLinux就比较适合本系统的应用。这里我们采用资源占用较少的uC/OS II系统。
2.1 uC/OS II及uC/TCP-IP在Blackfi n上的应用
uC/OS II操作系统的移值,一般是根据相应处理器的硬件特性编写os_cpu.h、os_cpu_c.c、os_cpu_a.asm这三个与CPU相关的文件,主要是改写与硬件相关的任务堆栈操作、CPU中断处理、任务切换等关键代码。根据Micrium公司提供的参考移值例程,可以很方便地将uC/OS II操作系统移值到Blackfin BF533处理器中。这里采用较为成熟的2.86版本进行开发,并设置时间片(TICK)为1ms,以满足实时处理要求。
uC/TCP-IP作为专门为嵌入式实时系统设计的TCP/IP协议栈,可与uC/OS II无缝结合,无需进行移植即可使用,大大缩短了开发周期,在8bit/16bit/32bit处理器上都有较高的运行效率,并且与BSD协议兼容,易于移植已有的网络应用程序。
2.2 软件总体架构设计
本视觉系统在软件部分主要由图像采集、图像处理、串口通信、人机界面和以太网控制等五个任务构成,以实现系统的控制和处理工作。各个任务由uC/OS II操作系统统一管理,按照设定的优先级进行任务调度。各任务之间可以并行运行,相互独立。系统总体软件架构如图5所示。
各个任务之间主要应用uC/OS II系统的信号量通信机制进行协调工作,能有效避免多个任务对同一段内存区同时访问,当一个任务请求访问内存区而此内存区被另一个任务占用时,则该任务将自动挂起,空出CPU运算资源以分给其他任务使用。
由于图像采集和图像处理需要频繁访问SDRAM的内存数据,将采集和处理的图像数据分别设置存放在SDRAM上不同的内存BANK中,以减少SDRAM的访问延迟。系统在处理当前帧的同时也开始采集下一帧图像,人机交互界面也会实时显示采集的图像。与此同时,系统也会实时响应以太网和串口数据通信。
2.3 图像处理算法
光学透镜旋转角度识别的图像处理算法步骤:
1)图像分割,由于目标与背景对比度高,故采用全局阈值分割算法即可,如图6(b)所示。
2)边界提取,采用八相邻域边界跟踪算法,如图6(c)所示。
3)对边界信息利用平均值求取中心坐标并得到平均半径。
4)提取距离超过平均半径的边界点,即光学透镜两端圆弧边界,如图6(d)所示。
5)对圆弧边界采用文献[6]方法,为提高精度,利用多组数据求平均的方法得到两圆弧的圆心坐标,如图6(e)所示,其中位于中间十字为边界的中心,长度为平均半径,两端十字为两圆弧圆心位置。
6)根据两圆心坐标计算光学透镜旋转角度。
本算法利用边界特征信息,对内部光照不均、反光等非特征部分无关,稳定性好,且边界数据信息少,速度快。
3 实验结果
实验时视觉系统对高速运动的LED光学透镜底部进行图像采集。为测试角度测量精度,采用文献[7]提出的边界特征匹配算法与本文算法作了比较,得到部分试验数据如表1所示,其中A代表基于边界特征匹配算法,B代表本文利用圆弧圆心坐标测量角度的识别算法。
由上表可以看出,采用基于边界特征匹配算法对于LED光学透镜的角度测量,测量精度不够高,且不稳定。而本文提出的角度识别算法精度稳定在0.2°以内,已经满足了LED光学透镜扣帽机对于角度测量的精度要求(0.2°),而且在速度和稳定性方面比前者好。
4 结束语
本文针对当前国内LED封装生产设备中对LED光学透镜的自动安装需求,应用高性价比的Blackfin DSP处理器设计了一套嵌入式高速高精度图像处理系统。本文通过精简硬件结构和合理的硬件选型以提高系统性能,并应用嵌入式实时操作系统uC/OS II提高系统的实时性并实现多任务处理。现场生产过程表明,本系统性能稳定可靠,而且体积小,成本低,已经满足实际LED封装生产设备对LED光学透镜的自动安装要求,同时也促进了LED自动安装设备的国产化,提高国内LED封装生产行业的自动化水平。
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LED光学系统论文 篇3
随着越来越多的国家开始推行禁止使用白炽灯的计划,钨丝白炽灯即将被节能产品取代。LED光源是公认的第四代光源[1],LED灯丝灯[2]将LED灯丝封装在玻璃泡内,它能够实现与白炽灯一样的全角度发散。
LED灯丝灯的核心在于LED灯丝,制备LED灯丝需要多颗芯片串联,倒装LED芯片采用了凸点结构,大大缩短了互连长度,减小了互连线电阻、电感,极大地改善了封装的电性能。芯片中产生的热量直接通过焊料凸点传输到封装基板,能够有效提升LED灯丝的可靠性[3]。倒装芯片可以承受更大的电流,且封装工艺简单。与正装结构相比[4,5,6],LED倒装结构可有效降低器件的热阻,提高其散热能力,是较好的选择。文章主要对倒装灯丝的正反面不同位置的色温、亮度以及表面温度进行实验研究。
1 实验
倒装芯片制备LED灯丝采用ASM-DB860固晶机,通过键合材料(锡膏型号为XH-305HT)将芯片固定于尺寸为60mm×1.2mm×0.38mm的印有银线路的白陶瓷基板上,基板两端为金属铁镀镍,由28颗倒装芯片等间距串联而成,并经过烤箱加热进行焊接,加热温度为280℃,加热时间为2min。倒装芯片选用蓝光LED芯片,尺寸为8 mil×20mil,芯片的主波长范围(波段)为452.5~455nm,单颗LED芯片的额定发光效率Po为120~130mW,单颗LED芯片的正向电压VF为3.1~3.2V。
本次实验使用荧光粉涂覆方式制备LED灯丝。由于陶瓷基板反面没有固定芯片,所以反面的光是由芯片透过陶瓷基板发出。由于光透过陶瓷基板会有较大的损失,同时也掺杂有正面蓝光激发荧光粉后混合出来的白光,所以反面采用不同的荧光粉配比来调配灯丝的发光均匀性。将YAG荧光粉与硅胶混合形成荧光粉胶体,通过胶体涂覆方式进行点胶。AB胶选用谊地化学有限公司的YD6109型号,正面配比为:A胶∶B胶∶绿粉(波长530nm,型号为GY530-LH)∶红粉(波长625nm,型号为HR-01)∶红粉(波长640nm,型号为0764C)=60∶15∶9.6∶0.92∶0.95。反面配比为:A胶∶B胶∶绿粉(波长530nm,型号为GY530-LH):红粉(波长640nm,型号为0764C)=48∶12∶2∶0.3。使用灵感点胶机分别涂敷在陶瓷基板的正反面,经过烤箱烘干,温度为160℃,时间是3h,点胶后的灯丝样品如图1所示。
在同一根灯丝正反面各选取五个点,如图2(b)所示,灯丝负极处发光位置取点1,距离1号点位15mm处取点2,距离2号点位15mm处取点3,以此类推,取点4、点5。灯丝长60mm,点3为灯丝中间位置,点5为灯丝正极发光位置。采用BM-7瞄点式亮度计对灯丝正反两面上这些点进行测试。通过TracePro光学软件对灯丝的发光情况进行光学模拟。使用Fluke Ti32热成像仪对灯丝稳态时的温度分布进行测试,采用恒流源对其供电,电流设置为10mA,如图2(a)所示。通过两个夹子将其固定,室温25℃,热成像仪距离灯丝50cm,分别对灯丝正反面的中部聚焦进行测试,拍摄图形。采用FLOEFD模拟软件对发光的灯丝进行热学模拟。
2 分析与讨论
2.1 灯丝的光学均匀性
将灯丝以10mA电流驱动点亮,在其正反面上各选取五个点进行测试,得到10个位置的色温和亮度如图3所示。
灯丝的正面中间位置3处色温为3 105K,正面2、4位置的色温为3 111K和3 122K,正面两端1、5的色温分别是2 871K和2 925K;反面中间3位置色温为2 974K,反面2、4位置的色温分别为2 952K和2 955K,反面两端1、5的色温为2 827K和2 761K。正反面色温的相差是由于灯丝正反面涂覆不同配比的荧光粉胶所致[7],从图3(a)中可以看出灯丝中间色温较均匀,仅两端与中间的色温存在很小的偏差。对于单个荧光粉涂层,荧光粉的浓度是均匀的,在灯丝中间位置芯片集中,发出的蓝光较两端更多,导致同一面内中间色温较两端稍高[8]。图3(b)表示灯丝不同点的亮度,正面中间点3处亮度为21 441cd/m2,正面2、4位置的亮度为21 619cd/m2和21 941cd/m2,正面两端亮度分别为16 334cd/m2、18 778cd/m2;反面中间点3处亮度为8 939.3cd/m2,反面2、4位置的亮度为8 504.9cd/m2和9 199.8cd/m2,反面两端亮度分别为6 984.9cd/m2、7 822.5cd/m2,灯丝两端亮度约为中间亮度的74.4%。灯丝上28颗均为同样的芯片,每颗芯片的发光强度相同,由于灯丝中间芯片相对集中,所以两边光亮度要低于中间。LED光源的非相干特性决定了在目标面上某一点的照度分布就是多个LED的照度叠加,两个或者两个以上的光源相叠加,其光强度分布要么因为夹角太小在小区域内产生大于平均亮度的光斑,造成眩光;要么由于夹角太大在小范围内产生暗斑,导致分布不均匀[9]。反面亮度大约为正面亮度的41%,整体亮度呈现朗伯分布。
2.2 光学模拟
通过光学仿真软件Tracepro对灯丝芯片发光情况进行光学模拟,在Tracepro软件里根据LED结构尺寸建立起简化的实体模型,省略了键合材料、荧光粉胶体等部件。如图4所示,长条为支架,上面排列28颗小方块为LED芯片,间距为1.9mm,芯片尺寸与其发光面相当,所有尺寸均按照实际灯丝设定,光源是从Z方向的表面发射。研究着重考察它的光照度相对分布,即不考虑支架的透光性,只模拟正面的光照度情况,对表面光源进行设置,其光源形式设置为光通量,模拟单颗的LED的总光线数设置为1 000,波长根据芯片规格书设定为450nm。在Z轴10mm处建立一个平行于灯丝发光面,半径为40mm的圆形遮光板,然后进行光线追迹。图5为遮光板上获取的光照度分析图,研究着重考察其发光均匀性,右边的曲线为考察平面的两个垂直方向的光照度分布,可以看出排列的28颗芯片中间部分发光强度要大于两端,灯丝中间光照度达到最大值处附近有波动,呈现朗伯分布,这与实际测量的结果一致。
2.3 灯丝的热学均匀性
以10mA电流驱动点亮灯丝,电压稳定后恒流源显示电压为72.2V。采用Fluke Ti32热成像仪对倒装灯丝的热分布进行测试分析,点亮30min后灯丝达到稳定状态时测得的热分布如图6所示,正反面最高温度均位于灯丝条的中部,灯丝正面最高温度为52.95℃,反面最高温度53.75℃,反面温度整体大于正面温度,中间与两端部分正反面温差分别为0.8℃和1.6℃,灯丝的最大温差为12.4℃。从热成像可以看出,灯丝同一位置正面温度低于反面,这是由于LED倒装结构所致,倒装芯片的P区直接与支架连接,LED芯片发光时PN结在P区产生的热量可以直接导入支架,提高了LED器件的散热性能[10,11,12];并且反面的荧光粉胶体比正面薄,反面的导热性强于正面,因此反面温度稍高于正面温度。由图6可以看出,灯丝正反两面的两端温度均低于中间位置。中间温度高是因为中间位置芯片比较集中,与空气热对流速度慢,而边缘位置可以将热量快速扩散至空气中,所以中间温度高于边缘。由图8可以看出,灯丝整体温度分布满足朗伯分布。
2.4 热学模拟
利用FloEFD软件对灯丝芯片进行热学模拟,结果如图7所示。灯丝模型主要由基板和芯片两个部分组成。设置热学模拟的边界条件为:1.环境温度施加温度载荷:设置默认环境温度为25℃;2.模型周围气体施加气体约束:设置模型周围气体为空气;3.设置器件材料属性:白陶瓷基板选择96瓷;4.设置光源参数:单根灯丝的功率为0.7 W;5.设置辐射表面:选择陶瓷基板为高度氧化铝辐射表面。
图7为模拟后LED灯丝表面温度图,LED灯丝中间温度为76.47℃,灯丝两端芯片的温度为69.85℃左右,最高温差6.62℃。由于实际测量的灯丝表面涂敷了荧光粉胶体,所以模拟所得的温度要高于实际测量的结果。通过图8与图9可以看出,模拟得到的温度分布情况与测量结果的分布情况相同。
3 结论
分析了基于倒装芯片制备LED灯丝的关键影响因素:正反面的色温、亮度与温度。通过测试发现,在10 mA电流驱动下,稳态后灯丝的电压为72.2V,灯丝反面亮度约为正面亮度的41%,灯丝两端亮度约为中间亮度的74.4%;正反面色温在3 000K,并且同一面内色温也比较均匀,说明正反两面涂覆荧光粉可以使灯丝均匀发光。光学模拟灯丝的亮度分布与实验测得结果相近。灯丝在10mA电流驱动下点亮30min达到稳态后,测得灯丝中间与两端最大温差为12.4℃,说明灯丝具有良好的散热性能。热学模拟得到灯丝中间与两端最高温差为6.62℃,灯丝的温度分布与实验结果相符。以上结果表面,基于倒装LED芯片制备的灯丝,具有良好的光学均匀性和散热性能,作为一种新型LED光源是可行的。LED灯丝灯以其独特的造型,节能环保、全角度出光等特点,可以作为白炽灯的替代品。
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LED光学系统论文 篇4
1 实验
以组装有一套白光LED(YAG+InGaN蓝光芯片)的32 in(1 in=2.54 cm)直下式入光的液晶电视模组作为实验对象,在两种电流控制模式下,通过调节选单中的背光调节比例,逐步调节LED的平均电流。其中模拟调光为电流峰值调节,而数字调光为峰值不变(440 mA),通过调节占空比来调节LED的平均电流。图1为相同平均电流400 mA条件下,数字调光和模拟调光的电流波形。
在室温25℃条件下,将机器通电在白场画面点亮30 min后开始测试。用KONICA MINDLTA CS2000(配套数据处理系统为CS-10W)测试液晶模组白场的亮度、色坐标数据,使用Agilent Dso 6054A监测电流波形和数值,使用YOKOGA-WA MX100监控测试机器内LED焊脚的温度。电流值每隔20 mA测试记录一组数据,每个电流值稳定10 min后进行亮度、色坐标、温度的读值。
2 结果和讨论
2.1 亮度对比
液晶电视模组点亮30 min后,整机系统内以及机器与环境基本已达到热平衡。通过用户选单调节背光的电流,得出两种电流控制模式下不同平均电流下的亮度数据。如图2所示,随着电流的降低,亮度呈线性降低,并且相同平均电流下,数字调光模式下比模拟调光模式下亮度要低,并且随着电流的降低,数字调光模式下的亮度降低幅度比模拟调光模式下亮度降低幅度要大得多。如420 mA平均电流下,数字调光模式下比模拟调光模式下亮度低6.4%,而到160 mA平均电流时,这个值达到49%。
图3为400 mA与260 mA平均电流两种电流控制模式下的光谱图。由于液晶玻璃的彩色滤光膜CF的RGB三色穿透波谱半高宽大于LED波谱,系统内膜片组件对光谱的吸收亦有限,故它们对测试点的光谱影响在此可以不作考虑。
光功率Xe计算公式如下
式中:Xe为380～780 nm可见光范围内的总辐射功率;p(λ)为单位波长的辐射功率。
由图3及式(1)得出,平均电流均为400 mA条件下,数字调光模式下测试点波谱强度值比模拟调光模式降低,光功率计算值比模拟调光模式低5.8%。平均电流均为260 mA条件下,数字调光模式与模拟调光模式测试点波谱强度差异值进一步放大,B波段半高宽缩小,光功率计算值比模拟调光模式低17.7%。
通过对机器内LED焊脚的温度测试发现,数字调光比模拟调光模式下焊脚温度要高。表1为400 mA平均电流条件下(电流波形如图1所示,其中,数字调光占空比为89%),数字调光和模拟调光两种模式下的LED焊脚温度Ts情况。
式中:Ti为芯片温度;P为LED功率;Ts为LED焊脚温度;Rth为热阻,400 mA与260 mA时功率接近1 W,热阻可看作常数[1],本样品值为15 K/W。
由表1及式(2),模拟调光下,400 mA时计算芯片结温为351 K,数字调光模式下400 mA结温为353.8 K,数字调光模式下焊脚温度平均要高2.8 K(室温25℃)。260 mA平均电流条件下,模拟调光模式下计算芯片平均结温为329.5 K。理论上260 mA条件下数字调光模式ON状态下瞬时温升与400 mA时差不多,此点温度要比模拟调光模式下260 mA产生的热量高很多。但260 mA时数字调光模式下OFF状态时有足够的时间将热在时间上平均(占空比为53%)。由于PWM的响应时间为纳秒级别,而温升测试系统的响应时间为秒级别,所以现有条件无法检测低占空比下的瞬时温度,但利用下节能带温升公式反推可得出260 mA时数字调光模式下比模拟调光模式LED芯片温度高约6.5 K。
InGaN蓝光芯片属于Ⅲ-V族半导体材料,随着温度的升高,材料的能带发生变化,电子能量升高占据导带中能量高些的电子态[2],电子空穴对发生辐射复合的几率变小。另有报道,根据物体的发射率关系[2,3]关系,光子辐射跃迁几率是温度的减函数。也就是温度的升高降低了辐射复合率,引起发光效率的降低。如上数据分析,相同平均电流不同电流控制模式下亮度的差异,主要由两种电流模式下LED温升差异引起。下一步将通过能带和波长与温度关系的变化做进一步分析。
2.2 色度对比
液晶电视模组点亮30 min后,通过用户选单调节背光的电流,得出两种电流控制模式下不同平均电流下的xy色坐标数据。如图4所示,随着电流的降低,CIE xy坐标升高,对应色温降低。并且,x坐标值模拟调光模式下趋势比较平缓,变化值为0.001 9,数字调光下变化值为0.002 4,差异值不大。而y坐标值则在数字调光模式下趋势比较平缓,变化值为0.003,模拟调光下为0.003 7,差异值比较大。
结合表1,随着电流的降低,温度的降低,色坐标的x值和y值都增加。这与谭艳娥[4]等人对冷白样品的实验数据基本一致。王劲[5]等人认为波长与峰值半波宽变化引起了色坐标的变化。CIE xy坐标变化主要由波长-光强比决定,以下从波长变化、RGB光强比例变化方面进行分析。
2.2.1 光强变化
由XYZ三刺激值式(3)可知,X值中R波段影响最大,y值中G波段与R波段影响最大。坐标xy值是XYZ对应比例值。
由图5及图3可看出,R波段随着电流降低,相对其他两波段来说光强变化范围较小,峰值半高宽变化也不明显,所以x值仅在0.002范围内变化,但是数字调光模式下光强变化比模拟调光稍微明显,对应x坐标的变化也比模拟调光下明显。G波段峰值半高宽变化不明显,光强变化比例在三波段中居中,比R明显,数字调光模式下降低也比较明显。但对于Y值,R波段的贡献是负值,且对数值的占比比较大,直接影响到了Y值结果。GR波段都属于蓝光激发的光致发光(PL),直接受蓝光光强大小的影响,并且PL发光功率有限,温度也是由芯片的热量决定,所以相比于B波段由芯片电致发光引起的光强变化,自然要轻微得多。
B波段随着电流的降低,整体上强度降低幅度比RG波段明显,并且,数字调光模式下光强变化比模拟调光模式下剧烈。数字调光模式下,260 mA平均电流时“ON”状态下的导通电流依然为440 mA,单从电流方面考虑,xy值应该比较稳定[6],实际测试数据则呈现出差异。随着电流降低,波长光强度线性降低是正常现象,但两种模式下线性降低的幅度差异,可以从材料的主波长与温度、电流之间的关系方面解释。
2.2.2 波长变化
从实验数据来看,平均电流从420 mA降到260 mA,模拟调光模式下蓝光B波段的主波长从445 nm降到444.5 nm,数字调光模式下B波段的主波长从445 nm降到444 nm,出现了蓝移现象。但两种模式下G波段主波长稳定在534 nm,R波段稳定在602 nm。
主波长由材料的能带决定。据报道,蓝光芯片In组分为x的InGaN禁带宽度与温度的关系为[7,8]
式中:T是温度,单位为K;为InGaN芯片中InN绝对零度时能带,为0.8 eV[7],为GaN零度时的能带,为3.42 eV。
模拟调光下,400 mA时计算芯片结温为351 K,260 mA时计算芯片结温为329.5 K。只考虑热效应时,峰值波长与结温呈现较好的线性、正比关系[9,10]。假设取x为0.725,联立以上公式,得出模拟调光下电流从400 mA降低到260 mA蓝光波长蓝移1.5 nm。庄榕榕等人[9]线性拟合的峰值波长偏移的温度系数为0.077 0 nm/K,400 mA与260 mA LED芯片温度相差21 K,按此计算电流降低蓝光主波长蓝移1.6 nm。与上面的计算结果基本吻合。从以上公式可以反推出260 mA时数字调光模式下比模拟调光模式,LED芯片温度高约6.5 K。
对于蓝光芯片InGaN基而言,影响Ⅲ族氮化物多量子阱器件发射光谱的能隙间隔,除了热效应带来的变化外,还应考虑自发极化和压电极化效应带来的影响。在大电流密度下,会屏蔽极化场,而显示出载流子屏蔽效应,所以随着电流密度的减小,波长会出现红移。但从实验数据来看,平均电流从420 mA降到260 mA,模拟调光模式下蓝光B波段的主波长从445 nm降到444.5 nm,数字调光模式下B波段的主波长从445 nm降到444 nm,结果上还是出现了蓝移现象。可见除了电流密度的影响之外,芯片温度的影响更大些,并且因为数字调光模式下温度更高,所以温度的影响更明显。绿波G和红波R属于蓝光激起的光致发光(PL),因为PL能激发的载流子较少,对主波长的影响不大,两种模式下G波段稳定在534 nm,R波段稳定在602 nm。
3 结论
1)相同平均电流下,液晶电视模组数字调光模式下比模拟调光模式下亮度要低,并且随着电流的降低,数字调光模式下的亮度降低幅度比模拟调光模式下亮度降低幅度要大得多。
2)相同平均电流下,数字调光模式下液晶电视模组系统中LED芯片的温度比模拟调光模式下高。
3)随着电流的降低,CIE xy坐标中x坐标值模拟调光模式下变化趋势比较平缓,变化值为0.001 9,数字调光下变化值为0.002 4,差异值不大。而y坐标值则在数字调光模式下趋势比较平缓,变化值为0.003,模拟调光下为0.003 7.
4)以上现象的主要原因为半导体材料能带与温度的负指数关系形成。数字调光模式下LED芯片的温度高引起材料的能带、主波长和发光效率变化。随着电流的降低,数字调光模式下占空比减小,导致温差进一步放大,引起两种模式下的亮度、色度差异放大。
摘要：对LED液晶模组,采用模拟调光ADIM和数字调光PWMDIM两种电流控制模式,对比测试了模组的亮度、CIE色坐标、LED焊脚温度数据。实验数据表明,相同整机系统下,平均电流相同时模拟调光比数字调光亮度高、LED芯片温度低。随着平均电流的减小,数字调光的亮度下降幅度比模拟调光明显。数字调光模式CIEγ坐标变化比模拟调光小,但x坐标差异不大。通过对以上两种模式下光谱图中RGB各波段的光强变化比以及主波长情况进行分析,认为半导体材料温度变化引起的能带差异以及电光转换效率不同是主要原因。
关键词：模拟调光,数字调光,LED,电流,亮度,色坐标
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LED光学系统论文 篇5
自从上世纪LED开发成功以来, LED光源因其具有寿命长、功耗低、无辐射等特点[1], 使LED产业得到了迅速的发展。伴随着大功率LED的研制成功以及人们环保意识的增强, LED市场也越来越大。随着半导体技术的不断发展和进步, LED相关产品得以进入多个领域。以其功能不同, LED分为红外LED (IR LED) 、紫外LED (UV LED) 、智能照明、汽车照明、植物照明、可见光通信和LED服饰。
在众多的应用当中, LED照明技术产品越来越成熟, 随之而来, LED照明市场需求急剧扩大, 采用LED光源取代传统光源已经成为一种趋势, 现在白光LED已经被公认为21世纪最有潜力的环保照明光源[2]。
从绿色健康照明设计方面考虑, LED面板灯设计独特, 光经过高透光率的导光板后, 形成一种均匀的平面发光效果, 照度均匀性好、光线柔和[3], 因此越来越受到人们的青睐。作为一种平面光源, LED面板灯尤其适合办公、家庭、商场等环境。面板灯最早于2009年出现, 2010年开始进入市场。它以全新的光扩散理念颠覆了人们的传统思维, 模糊了灯与灯具的明显界线, 再次将LED灯具行业带入了一个崭新的发展阶段[4,5]。
1 LED面板灯均匀性分析
LED面板灯的一种模式为金属材质制成的框架和沿框架周边设置的4个LED灯条, 每一灯条上有多个LED灯珠, 为使LED发出的光能向下传播, 需加入用以改变和传导LED灯珠所发出光线的导光板以及反射LED灯珠所发出光线的反光片。通常是将单颗LED排列组合成一个LED面板灯来使用。另一种方式是直下式, LED位于金属框架的底部以阵列形式排列。这种结构不需要导光板, 但需要一定的混光空间, 因此, 直下式较侧出光式面板灯在灯具的厚度上要厚一些。
对于尺寸较大的面板灯, 采用侧出光结构容易造成暗斑和水波纹现象。针对这一点, 本文设计一款面板灯, 通过LED的排列方式, 与设计的匀光光学元件相匹配, 使从框架表面发出的光为均匀的光线, 从而得到一款具有良好均匀性的面板灯。
本设计选择芯片式LED, 由于芯片面积较小, 可以看成点光源。在点阵结构的面板灯中, LED为阵列排列, 先从理论角度计算LED阵列的发光特性和光叠加性能。
1.1 LED阵列照度计算
根据光学理论, 光源在置于其上的平面内任一点的光照度满足公式E=E0cos4θ, 式中E0为光源正上方平面上对应点的照度值, θ为任一点到光源的距离与光源到平面垂直距离的夹角[2]。因此, 接收面上每一点为所有LED到该点照度之和, 即满足
式 (1) 中, n为LED行数, m为LED的列数, Ei, j为某LED到接收面确定点的照度值。
因此面板灯表面的照度并不均匀。要想得到均匀的光, 有必要对面板灯表面上某点的照度值进行分析, 以便计算面板灯表面的均匀性。
图1为建立的LED面板灯模型, 在模型的下底面为LED点阵, 上方为接收面, LED的间距为50mm, 接收面与点阵的垂直距离为40mm。图2即为LED光源阵列上方的接收面, 图中A、B、C、e、F、G、H、I、J9个点对应正下方的LED光源点阵, 利用上述公式可以算出接收面位于光源上方各点的光照度。
以图2中的A点为例, A点的照度为底部各点光源到A点的照度之和, 即满足公式,
式 (2) 中, EB为B点LED照射到A点的正上方接收面的能量, Ee为e点LED照射到A点的正上方接收面的能量, EH为H点LED照射到A点的正上方接收面的能量, EF为F点LED照射到A点的正上方接收面的能量, EC为C点LED照射到A点的正上方接收面的能量。
当不考虑边缘问题时, LED点阵为以A点为中心的对称分布, 除去图上的e点外, 其他各点均乘以4, e的对称点有8个, 所以乘8, 所有照度之和即为A点的照度值。
1.2 面板灯均匀性计算
上述光照度分析是特殊点位的照度分布情况, 由于在接收面上每点都有光能量分布, 因此只有求出任意点的照度才能够计算出接收面上的照度均匀性。
首先从理论上计算接收面上在两个LED之间任意一点的照度值, 试分析如下:
LED间距为50 mm, 接收面与光源的距离同上, 如图3所示, 在接收面上选取了6个点, 在相邻两个LED间选取5个点以及在相邻4个LED的交点处共6个点位, 点B、C、D、E、F与A点的距离分别为5mm、10mm、15mm、20mm和25mm。鉴于LED阵列分布的对称性, 其他位置的照度分布具有相同的分布。同样地, 在计算接收面上某点的照度时, 当某一LED光源到该点的照度与垂直位置的照度相比小于1%时, 忽略其对该点的照度。在不考虑边缘部位的照度时, 接收面上任意点的照度值变化应该按照一定的规律变化。因为选取的LED参数均相同, 与前面的计算相同, 其计算结果如表1所示。
从计算结果可以看出, 位于LED阵列交叉位置处的照度值最小。根据计算结果画出照度变化曲线如图4所示, 图中横坐标分别对应A、B、C、D、E、F各点。由于LED为正方形阵列, 故知交叉点处的照度最低。运用均匀性公式:
式中, Emax为6点中照度的最大值, Emin为6点中照度的最小值, 代入公式计算其照度均匀性为81.05%。
2 新型面板灯结构设计
由上述计算可以看出, 要想提高面板灯的出光均匀性, 比较直接的办法是缩小LED阵列的间距, 这样一来就增加了LED的数量, 本设计提出了一种光学微结构, 在不改变LED阵列间距的同时, 加入该光学元件能够达到提高出光均匀性的目的。
2.1 微结构模型的提出
本设计提出了一种厚度为4mm的PMMA面板 (也可以是PC材料) , 在其下表面设计了半径为1mm的下凸的半球形微结构, 微结构为无缝阵列结构, 如图5所示。
2.2 均匀性模拟
为了检验此光学微结构的作用, 且方便模拟, 建立了直下式面板灯的模型, 面板灯的外形尺寸为长240mm, 宽为190 mm, 高为40 mm, 其上为厚度4mm的面板, 模型内表面除上表面外, 均为漫反射面, 在面板灯的底面采用阵列型LED芯片, LED的阵列为4×5, 共计12颗。与前面相同, LED间距为50mm, 单粒LED的功率设为0.3 W, 每粒LED的出射光线为200 000条, 阵列分布如图6所示, 面板灯的结构如图7所示。
2.2.1 无微结构之模拟
为了更好地获得对比效果, 首先模拟没有微结构时模型上方接收面下底面的光照度均匀性, 模型外形尺寸与光源参数同上, 采用光学软件模拟接收面下底面的光照度如图8所示。
在照度图上找出照度的最大和最小值, 利用公式 (3) 计算接收面的均匀性。图8中照度的最大值为141.1w/m2, 最小值为115.353w/m2, 经上式计算得出不加微结构时接收面均匀性为81.75%。此数据与前面用6点法进行的计算 (81.05%) 非常接近。
2.2.2 加入微结构之模拟
不改变面板灯的外形尺寸, LED的阵列仍为4×5, 间距亦为50mm, 在灯具中加入微结构, 其模型结构如图9所示。
为了确定微结构放置位置与接收面光均匀性间的关系, 找出微结构在模组中的最佳位置, 研究时移动微结构在模组中的位置, 对每一位置进行了光学模拟, 找出每一位置照度图的最大值和最小值, 利用前面的公式计算接收面光均匀性, 具体的测试数据列于表2。
注:表中位置为微结构下表面与光源上表面的距离, 计算公式与前述相同。
由模拟得到的数据得到均匀性与光学元件在结构中的位置关系曲线, 如图10所示。
由模拟测试结果可以看出, 当微结构下表面与光源上表面距离为11 mm时, 接收面光均匀性最好, 达到了86.67%。由前面的模拟可知, 不加微结构时, 接收面光的均匀性为81.75%, 由此可知, 在面板灯中加入的光学微结构提高了面板灯的均匀性。
3 结束语
文章针对LED面板灯的出光均匀性进行了讨论, 提出了一款采用PMMA材料的外凸半球形微结构, 将其置于直下式面板灯中, 通过采用微结构与不采用微结构的出光均匀性进行模拟, 结果显示, 当LED间距为50mm, 光学元件的厚度为4mm, 材料为PMMA, 半径为1mm, 嵌入深度为1mm的半球形微结构, LED行列边缘距外边框的距离为20mm时, 在没有光学微结构的情况下均匀性为81.75%, 加入光学元件, 且当其处于11mm处时, LED面板灯的出光均匀性最好, 为86.67%, 大于85%, 由此可知设计的微结构元件将LED面板灯的均匀性提高了5个百分点。通过以上分析可知, 本文提出的这种光学微结构可以提高LED面板灯的光照均匀性。
摘要：论文主要针对LED直下式面板灯的出光均匀性进行讨论, 提出一种具有微结构的光学元件, 模拟了微结构在灯具中的位置均匀性的影响。分析结果显示, 在LED灯具中加入该结构, 面板灯的光照均匀性达到85%以上。
关键词：LED面板灯,微结构,均匀性
参考文献
[1]罗文正.LED照明智能控制系统的设计与实现[D].电子科技大学.2014.
[2]陈哲艮.关于发光二极管和半导体照明的探讨[J].能源工程, 2004 (2) :1-2.
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[4]黄晓明, 魏青, 乔更新.LED照明评述及荧光灯退出照明市场时间表[J].中国照明电器, 2016 (4) :13-16.
LED光学系统论文 篇6
用于光学仪器照明的LED一般有两种形式:一是由小功率LED阵列组成的线光源和面光源, 二是用单个大功率LED作为的点光源, 。前者驱动电路易实现且已广泛应用;后者因其光电热特性, 驱动电路的实现还存在某些问题。光学仪器对大功率LED有两大关键技术要求: (1) 光源亮度可调、无色偏; (2) 能有效解决大功率LED的散热问题, 对此本文设计了一种用于光电仪器照明系统的可调光大功率LED驱动电源。
二、大功率LED的伏安特性和温度特性
光学仪器的LED照明驱动系统设计既要考虑其电学特性, 又要兼顾其光热学特性。图1 (a) 为指数上升的大功率LED伏安特性, 电压稍有变化则电流剧增, 随之光强也会剧增导致其寿命缩减, 可靠性降低, 且引起色偏。温度特性如图1 (b) 所示, 时间越长, 温升热量积累引起光衰, 其伏安特性也会随之左移。若恒压驱动则加剧温升将降低照明系统的可靠性并引起色偏、光衰。本系统拟采用恒流源驱动LED, 使其电流恒定, 并辅以散热以提高可靠性。
三、驱动电路设计
1. 系统总体方案
光学仪器照明系统为适应不同检测环境和要求, 需调节光源以获得不同的光通量, 因此本系统采用555定时器作为PWM发生器并通过改变其占空比D调节恒流源驱动模块的输出电流以实现调光功能, 其工作原理如图2所示:
2. 驱动电路设计
本系统采用PT4115芯片给LED提供恒流驱动, 选择555发生占空比可调的PWM调光。驱动电路如图3所示。
(1) 恒流模块:PT4115是一款连续电感电流导通模式的降压恒流源芯片, 采用频率抖动技术来降低EMI[5]。它的DIM端口可模拟调光和数字调光信号, 本系统选择PWM调光。采样电阻Rs1精度为±1%的精密电阻, 否则误差较大。为保证连续续流, 电感L1须要用镍心的工字型电感, 其饱和电流应为最大输出电流的1.5倍。
(2) PWM发生模块:通过改变RP1使555发生PWM波的占空比D可从0到100%可调, 实现连续调光 (频率为F=1.443/ ([R1B+R1) *C1]) 。
(3) 为抑制LED电流纹波, 在两端并联一47u F到100u F的电解电容。因LED在发光时电压低、电流大, 为使LED长时工作还须考虑散热。
3. 散热设计
当电流通过大功率LED的PN结后结温开始升高, 据文献可知温度每升高一度, 光波长将漂移0.2nm-0.3nm, 导致LED出光均匀性、一致性变差;同时大功率LED的封装胶会因温度过高而使胶体变黄, 导致一次透镜的透光能力降低。因此, 解决大功率LED的散热问题是很重要的。本实例措施为:先在LED铝基板上加装一定面积的散热翅片 (以16cm2/W散热率计算) , 且其材质要选择导热系数高的铝合金或铜片金属;再将导热性能良好的导热胶紧紧粘于散热片与大功率LED, 必要时系统再增加一微型风扇以散热。
四、实验结果
将万用表的电流档串接于LED负载电路中, 借助示波器测出其占空比, 同时读出当前占空比对应的输出电流值, 并随机取样8个点, 所得电流-占空比关系如表1所示。随着占空比的增大, 电流也随之增大。LED的电流基本近似满足0.1*D/Rs1 (Rs1=0.143欧) 的关系。在555芯片输出高电平时, LED导通并发光;输出低电平时, LED截止, 但是由于频率设定大于100Hz, 人眼感觉不到闪光现象。
通过由示波器测得采样电阻Rs1的电压纹波系数小, 又由于电阻的电压与电流同相位说明通过LED的电流比较稳定, 从而保证了大功率LED在光学仪器中的无色偏性。
五、结束语
本文设计的可调光的大功率LED恒流驱动电路具有如下优点: (1) 大功率LED工作电流稳定, 并能进行过热自我保护; (2) 采用555芯片作为可调占空比的PWM信号发生器, 价格低廉, 使大功率LED发光均匀, 无色偏, 适合光电仪器的照明系统对光源的要求; (3) 散热效果好。
参考文献
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[2]蒋天堂.发光二极管的特性及驱动电源的发展趋势[J].上海:光源与照明, 2010.
[3]余发平.LED光伏照明系统优化设计[D].硕士学位论文.合肥:合肥工业大学, 2006.
[4]罗静华.大功率LED智能化照明控制系统设计.单片机与嵌入式系统应用[J], 2010
[5]陈雷.基于PT4115的大功率LED恒流驱动的设计[J], 北京:灯与照明, 2008.12