基于复合抛物面聚光器的LED反射器的设计

第３３卷第４期　光学仪器　Ｖｏ１．３３。Ｎｏ．４　Ａｕｇｕｓｔ，２０１１　２０１１年８月　ＯＰＴＩＣＡＬ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ　文章编号：１００５　５６３０（２０１１）０４—００７８—０４　基于复合抛物面聚光器的ＬＥＤ反射器的设计　＊　蒋记望　潘嘉炜　，吴平辉　，汪　飞　，（１．湖州师范学院理学院，浙江　湖州　３１３０００；２．浙江工业大学理学院，浙江杭州　３１００２３）　摘要：针对发光二极管（ＬＥＤ）具有寿命长、发光效率高、显色性好、节能等诸多优点，基于复合抛　物面聚光器（ＣＰＣ）的结构与原理，设计了一种ＬＥＤ反射器，通过与传统荧光灯灯具比较，采用最　优化理论和光学软件ＴｒａｃｅＰｒｏ对其进行模拟仿真，结果表明这里所设计的反射器具有光场分布　合理，充分利用光能节约能源，传统反射器无法比拟的优点。　关键词：复合抛物面聚光器（ＣＰＣ）；发光二极管；反射器；ＴｒａｃｅＰｒｏ　中图分类号：ＴＰ　３１９文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｒＬ　１００５—５６３０．２０１１．０４．０１６　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＬＥＤ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｐａｒａｂｏｌｉｃ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ　ｄＩＡＮＧ　Ｊｉｗａｎｇ　，ＰＡＮ　Ｊｉａｗｅｉ　，ＷＵ　Ｐｉｎｇｈｕｉ　，ＷＡＮＧ　Ｆｅｉ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｈｕｚｈｏｕ　Ｔｅａｃｈｅｒｓ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｈｕｚｈｏｕ　３１３０００，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００２３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ￣Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔ　ｅｍｉｔｔｉｎｇ　ｄｉｏｄｅ　（Ｉ　ＥＤ），ｓｕｃｈ　ａｓ　ｌｏｎｇ　ｌｉｆｅ，ｈｉｇｈ　ｌｕｍｉｎｏｕｓ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｇｏｏｄ　ｃｏｌｏｒ　ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ａｎｄ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ，ａ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　ｏｆ　ＬＥＤ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｐａｒａｂｏｌｉｃ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ（ＣＰＣ）ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＴｒａｃｅＰｒｏ　ａｒｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｆｏｒ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　ｏｆ　ＬＥＤ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ　ｌｕｍｉｎａｉｒｅ　ｉＳ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔ。　ｅｎｅｒｇｙ　ｓａｖｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｎｃｏｍｐａｒａｂｌｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｕｎｄ　ｐａｒａｂｏｌｉｃ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ（ＣＰＣ）；ＬＥＤ；ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；ＴｒａｃｅＰｒｏ　引　言　近年来，随着ＬＥＤ芯片及其封装生产工艺的改进，ＬＥＤ的光效迅速提高，其凭借与传统光源相比寿　命长、响应快、尺寸小、显色性好、定向发光、抗冲击、节能环保等诸多优点，在照明领域的优势和潜力日益　凸显ｎ］。然而，当前ＬＥＤ在照明领域的的应用技术还不成熟，很多针对ＬＥＤ灯具的国家标准还没制定，　特别是ＬＥＤ照明产品的二次光学设计还很粗糙，这些都限制了ＬＥＤ在照明行业的推广与应用。而且目　前市场上已有的ＬＥＤ照明灯，多数还是采用传统灯具加上ＬＥＤ发光模块的组装方式，不利于获得理想的　配光效果和较高的光线利用率。因此，如何摒弃传统灯具的设计理念，为ＬＥＤ光源设计不同的灯具，成　为了Ｉ　ＥＤ照明的一个技术难点。　复合抛物面聚光器（ＣＰＣ）是一种非成像低聚焦度的聚光器，它根据边缘光线原理设计　＿６＿，可以将给　定接受角范围内的入射光线按接近理想聚光比收集到接收器上。ＣＰＣ最早是应用于高能物理实验研究　收稿日期：２０１卜∞１４　作者简介：蒋记望（１９９０一），男，浙江温州人，本科生，主要从事光学设计方面的研究。　・８０・　光学仪器　第３３卷　其体积远小于传统的荧光灯反射器。为了便于比较两种反射器的优劣，这里假设上述两种反射器光源均　采用朗伯型发光的ＬＥＤ贴片灯（半径３ｍｍ），并且光源总光通量都为８０　Ｉｍ，灯具与接受面（即地面）距离　为２ｍ。　５　２　９　６　３　０　口　■■■反光杯　图２传统荧光灯具示意图　图３复合抛物面的反射器示意图　Ｆｉｇ．２　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｆｉｇ．３　Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａ１　ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ　ｌｕｍｉｎａｉｒｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＰＣ　按照上述参数，设置反射器模型参数，经ＴｒａｃｅＰｒｏ软件模拟可得接受面照度图分别如图４、图５所　示，由图可见，利用传统的荧光灯反射器，光斑过大（半径达到２．５ｍ），因为反射器只在四个截面上具有聚　光能力导致光能量较为分散，最大照度仅有４．４３　ｌｘ，通过计算可知２ｍ处的光斑均匀性约为５８　，这种反　射器很难达到满意的均匀度，而且会造成大量的光线浪费。而采用复合抛物面聚光器原理的反射器，因　为复合抛物面具有优良的控制光线发射角的性能，反射器具有３６０。全方位聚光能力而使光能量相对集中　（半径为０．６ｍ），所以最大照度也提高至７２．６　ｌｘ，更为重要的是，相应的光斑的均匀性高达９３　，几乎不　产生眩光，即人眼会非常舒适。显然，若要达到相同的照度，采用上述复合抛物面反射器能量消耗将远小　于荧光灯反射器。因此，这种复合抛物面的反射器具有节能、光斑均匀、小体积等优点，在ＬＥＤ灯具设计　中有重要作用。当然，在实际设计生产中，还得综合考虑具体的光斑需求、装配要求和灯具散热性能等其　他因素，才能最终设计出满足用户需求的最佳参数。　图４荧光灯反射器照度图　Ｆｉｇ．４　Ｉｌｌｕｍｉｎａｎｃｅ　ｍａｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ　ｌｕｍｉｎａｉｒｅ　第４期　蒋记望，等：基于复合抛物面聚光器的ＬＥＤ反射器的设计　・８ｌ　・　∞　如　钧　如　加　０　图５复合抛物面反射器照度图　Ｆｉｇ．５　Ｉｌｌｕｍｉｎａｎｃｅ　ｍａｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＰＣ　３结论　简要阐述了复合抛物面聚光器（ＣＰＣ）的结构和设计原理，针对传统荧光灯灯具在ＬＥＤ灯具设计与应　用中存在的不足，结合ＬＥＤ寿命长、显色性好、定向发光、节能环保等诸多优点，设计了一种ＬＥＤ反射器，　通过ＴｒａｃｅＰｒｏ软件对灯具模拟仿真获得光斑、照度、均匀度等光学参数，结果表明所设计的ＬＥＤ反射器　相比传统的荧光灯反射器具有节能、高均匀性的光斑以及小体积等优点，在照明领域潜在巨大的市场前　景和开发价值。　参考文献：　毛兴武，张艳霞，周建军，等．新一代绿色光源ＬＥＤ及其应用技术ＥＭ］．北京：人民邮电出版社，２００８：２—２２６．　郑代顺，钱可元．功率型白光ＬＥＤ研究进展ＥＪ］．照明工程学报，２００６（３）：ｌ一７．　陈琼，刘红，李金国，等．ＬＥＤ光源模型研究ＥＪ］．照明工程学报，２００６，１７（１）：ｌＯ一２８．　ＷＥＬＦＯＲＤ　Ｗ　Ｔ，ＷＩＮＳＴＯＮ　Ｒ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃｓ　ｏｆ　ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒｓ［－Ｍ￣．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ，１９７８：３—８　ＷＥＬＦＯＲＤ　Ｗ　Ｔ，ＷＩＮＳＴＯＮ　Ｒ．Ｈｉｇｈ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇ　ｏｐｔｉｃｓＥＭ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ，１９８９：５—１１．　郑宏飞，陶涛，何开岩，等．增加复合抛物面聚光器（ＣＰＣ）最大聚光角的几种方法及结果比较［Ｊ］．工程热物理学报，２００８，２９（９）　１４６７—１４７０．　７　张鑫，屠其非，宋贤杰．ＣＰＣ简介及其在ＬＥＤ汽车灯具设计中的作用＿Ｊ］．照明工程学报，２００６，１７（１）：４６—４９．　８　汪飞，隋成华，叶必卿．关于复合抛物面聚光器设计参数的研究ＥＪ］．光学仪器，２０１０，３２（３）：６８—７２．　９　陈波，李伟平，黄杨程，等．一款ＬＥＤ后位灯的光学设计与仿真ＬＪ］．光学仪器，２００６，２８（５）：３７～４ｌ｜　Ｌ０　陈月娥，李国强，候蓝田．基于ＴｒａｅｅＰｒｏ软件的多曲面路灯反射器设计［ｊ］．建筑电气，２００８，２７（４）：２１—２３．