基于Tracepro的TIR透镜黑板灯光学设计-2

摘要当前全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，节约能源是我们未来面临的重要的问题，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。1高节能：节能能源无污染即为环保。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。2寿命长：LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。3多变幻：LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。4利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。5高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程，无限升级，灵活多变的特点。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。多年来，LED照明以其节能、环保的优势，已受到国家和各级政府的重视，各地纷纷出台相关政策和举措加快LED灯具的发展；LED灯的应用由于LED灯有其它灯具无可比拟的优点，LED灯正以非常快的速度发展并逐渐取代其他灯具，现在LED灯已经被广泛应用在各照明领域中。由于LED体积小，应用灵活，可以排列成各种形状，能够用计算机程序进行控制，所以可以显示出文字、图像、动画、影视等静态和动态的图案。在2008年的北京奥运会开幕式上，LED灯就显示了它无尽的魅力和优势。LED被大量使用在公众显示器中，如各种信号灯、景观照明、广场街道的美化、公共娱乐场所美化、舞台效果照明、建筑照明等。在液晶显示器中，LED被用作电脑、电视机和手机等显示屏幕的背光源。

在室内照明上，LED已经用于居家照明、教室照明、实验室照明、植物照明等。在汽车灯具方面，现在许多轿车的制动灯、位置灯、转向信号灯、后雾灯、倒车灯等灯具都开始采用LED光源。随着LED技术的不断提高，技术问题不断得到解决，大功率LED灯具的不断出现，LED在室内照明、汽车灯具、演播厅、观片灯等领域的应用将会更加普及。

LED虽然有很多优点，但是也存在着许多不足和技术问题有待进一步改进和解决，下面从几个方面对之进行了讨论。

1.大功率LED技术。LED存在静电释放损害和热膨胀系数等效能瓶颈和散热问题，使其功率不能做得很大，亮度低。目前常用的性能比较稳定的大功率LED芯片是1W和3W。可以通过集成芯片提高LED功率，但现在技术还不成熟，主要是需要解决散热问题。也可以通过多珠LED的串、并联或混联实现大功率LED灯具。后两种效率较低，用的较少，多珠LED串联是目前LED灯具在照明领域应用的主流。但是单珠串联有个致命弱点，一颗损坏，整路不通。这是制约大功率LED灯具在照明领域应用的一大瓶颈。提高LED灯具的功率，一是从芯片方面提高功率，另一是优化电路设计提高功率。

2.散热技术。温度是影响LED的一个重要因素，温度升高会使LED的光衰减加快，而芯片结点处的温度直接影响LED的寿命，所以LED散热能力的强弱限制了LED的功率大小。

LED内部的热量主要由LED芯片和印刷电路板工作时产生，对于小功率LED，通过自然传导对流的方式就可以把热量散发出去，但对于大功率LED就要考虑多方面散热。在散热设计上，通常从LED封装散热、电路板散热和增加散热部件等方面考虑。

3.芯片技术和芯片封装技术。芯片技术发展的关键是衬底材料的选择和外延片的生长技术。技术提升的关键都是围绕着降低缺陷密度和如何研发出更高效稳定的器件进行的，而如何提升LED芯片的发光效率则是目前整体技术指标的最重要衡量标准。传统的衬底材料有蓝宝石、Si、SiC，目前比较热门的材料有ZnO、GaN等。制造外延片的主流方法是采用金属有机物化学气相沉积。据2011年LED环球在线报道，美国北卡罗来纳州大学提出了一种新的氮化镓生长工艺，这一新工艺有望把材料的缺陷减低千分之一，从而制造出更高亮度的LED发光二级管。

4.光学设计技术。LED是点光源且方向性好，通过LED点阵设计、透镜和反光装置的设计及二次光学设计甚至三次光学设计，可以达到较理想的配光曲线，这也是光学设计的难点。在整体照明中，需要灯具有较大的照射面，可以使用线性LED灯条配以导光板等技术使之成为面光源。LED汽车信号灯可由TIR透镜和配光镜组成，通过合理的设计可达到法规配光要求的光形分布。

5.驱动技术。LED恒流驱动一般有电感型和开关电容型两种LED驱动，电感型LED驱动的驱动电流高，LED的端电压低，适用于驱动多只LED的应用。电容型LED驱动常用在大功率LED灯具中，其LED的端电压和电流高，可获得高的功率和发光效率。LED驱动电路的设计根据具体的需要可能会很复杂，但是在电路设计时必需考虑电源要有高的可靠稳定性以及电路要有浪涌保护等多种因素。第1章课题整体框架 11.1课题任务 11.2课题要求 11.3研究意义 1第2章TracePro软件简介 22.1仿真软件简介 22.1.1TracePro简介 2第3章设计方案 43.1实现功能描述 43.2选型 43.2.1LED选型 43．2.2TIR透镜选型 43.2.3阵列排布选择 43.3建模 43.2.1LED建模 43.2.2TIR透镜建模 93.2.4接收板建模 第4章光学模拟及修改 134.1光学模拟 134.1.1材料设置 134.1.2光源设置4.1.3模拟及结构查看4.2修改4.3阵列排布4.4总成光学模拟确认4.3实现展示 25第5章总结 28参考文献 29致谢 30附录 311.1课题任务1、相关文献阅读，调研非成像光学理论基础，了解LED教室黑板护眼灯具灯具相关知识。2、掌握LED教室黑板护眼灯具的照明指标，掌握TracePro和SolidWorks软件操作。3、使用SolidWorks结构设计软件和TracePro光学设计软件完成LED教室黑板护眼灯具光学元件的光路设计及整灯结构设计，利用TracePro软件对LED教室黑板护眼灯具光源进行建模，包括光源选择；再通过SolidWorks软件对条型LED护眼黑板灯进行透镜/反光杯等光学元件进行设计，导入TracePro软件中进行分析优化，对比LED光源的排列方式及透镜/反光杯的不同结构对光学效率及眩光的影响。1.2课题要求基于非成像光学原理，利用SolidWorks结构设计软件和TracePro光学设计软件针对教室设计一套能实现教室黑板灯具均匀照明，防眩光的光学系统，通过透镜等光学元件设计实现偏光角度设计。通过透镜主动偏光和灯具旋转控光，实现黑板面的照度均匀度达到80%以上，UGR≤19，实现黑板均匀照明的同时防眩光，降低老师不舒适眩光感受，提高学生学习效率和视觉健康，实现教室照明教学光环境舒适度整体提升，助力儿童青少年视觉健康。黑板灯设计满足以下要求1、光束角45°；2、光学效率85%以上；3、黑板面的照度均匀度达到80%以上，UGR≤19。1.3研究意义黑板照明是影响课堂教学质量的关键因素之一，其光环境质量与学生眼睛发生疲劳的概率有密切关系，目前黑板灯照明普遍存在以下问题：黑板面照度和均匀度不足、灯具安装位置不标准、不舒适眩光造成师生视觉疲劳，因此提高黑板照明光品质对师生视觉舒适度意义重大。2.1仿真软件简介TracePro是一款强大的光学仿真软件，由美国LAMBDARESEARCHCORPORATION开发，常用来做照明系统分析、传统光学分析和辐射度以及光度分析，支持蒙地卡罗(MonteCarlo)光线追迹、分析、CAD汇入/汇出等功能，几乎可以解决所有光线追迹上的问题。TracePro主要功能1、光强分布

2、系统光效、亮度、照度分布

3、光照实景渲染

4、荧光粉荧光效应

5、在照明和成像系统中光的分布情况

6、系统每个元件及物面上流明的入射、吸收及照度分布情况

7、对照明精确的建模和性能分析

8、界面简洁直观，易于操作，友好的设计便于分析师和工程师的运用

9、能与CADSolidworksAutoCadProEngineer等格式3D模块接TracePro应用范围TracePro可以同时或个别考虑反射、折射、吸收、双向散射(BSDF)、体散射(bulkscatter)、渐变折射(gradientindex)、光学薄膜(thinfilmstack)、荧光粉(Fluorescence)及偏振膜(polarization)等光学材料行为。搭配MonteCarlo的统计采样计算方法，其光线追迹的结果十分可靠，能够准确地预测光学行为。TracePro是一套与工业设计软件可以快速而轻易接轨的光学分析软件，能显著提升企业对产品研发创新的能力；而其准确可靠的分析能力，使其在全球与台湾的市场占有率都非常的杰出，并被各项产业广泛地使用，其实际相关的应用范畴包括：显示器产业；LED光源照明产业；传统光源照明产业；汽车产业；生物医学产业；航空国防产业；消费性电子产业；3.1设计方案3.1.1实现功能描述此黑板灯光源采用LED，通过TIR透镜将LED发散的光线反射出去。采用一颗LED匹配一个TIR透镜，最终由多个LED和TIR透镜环形阵列排布组组成。此LED黑板灯包含灯罩、TIR透镜、灯壳、底座、线路板总成。LED均匀布置在线路板上。为了精巧设计尺寸，将此LED黑板灯的灯具部分的大小尺寸控制在直径1300mm、宽度和厚度控制在100mm以内。为了满足黑板灯国家标准GB7793-2010中照度和均匀性要求（如下图），此黑板灯组成中，主要通过调整TIR透镜来实现照度和均匀性；其他灯罩起保护作用，灯壳其装配固定作用，底座其支撑作用；线路板起贴片焊接固定、线路布线作用。3.2LED选型LED英文为（lightemittingdiode），LED灯珠就是发光二极管的英文缩写简称LED，这是一个通俗的称呼。发光原理:PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。LED分类：分为插件式和贴片式插件式LED贴片式LED随着LED产业的反发展，以及自动化的应用，贴片式LED的焊接和自动化程度要优于插件式LED，并且贴片LED直接通过SMT设备高速自动化焊接质量及效率要高于插件式LED，采用自动化SMT贴片焊接，使得制造工艺简化，大大节约人力、节约成本。故此LED黑板灯采用贴片LED.根据国家标准GB9473-2017中关于LED的要求，以及对色温及显色指数的的考虑。最终选择欧司朗GWQSLPS1.CM3030型号为本次黑板灯设计用LED，/products/leds/white-leds/osram-osconiq-e-3030-gw-qslps1-cm具体参数如下：1、规格尺寸2、配光曲线3、光通量及色温为保证黑板灯发出的光更接近白光，LED色温选择5700K的LED，具体规格型号为：GWQSLPS1.CM-K4LV-XX52-79-1。为了保证不同亮度BIN下LED色温接近，LED亮度BIN选择K5和LV.因此选择的这颗LED的光通量为130lm，功率为0.9W。3.2.2TIR透镜选型TIR透镜是为了将LED发出的大角度光线集中，提高光的利用率。只要能达到这个目的，任何形状的TIR透镜都可以。本次设计，采用了抛物线线型TIR透镜。尽可能的将LED发出的光线聚焦利用。3.2.3LED阵列排布为满足LED黑板灯GB7793-2010国家标准，达到阅读黑板灯的照度500LX要求，此灯选择一字型阵列排布。为设计出的黑板灯尺寸控制在直径1300mm以内.3.3建模3.3.1LED建模根据所选择的LED的规格书，在TracePro中建立LED模型。打开TracePro，创建LED。●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“方块”模型，输入宽度X=3，Y=3，Z=1，点击“插入”，创建LED。3.3.2TIR透镜建模创建TIR透镜。由于TracePro无法直接创建TIR透镜，需要由多个透镜或者几何体，通过布尔运算来完成TIR透镜的建模。如图所示A：柱面通过圆柱实现B：TIR外曲面由抛物面反射镜和圆柱布尔差集完成C：TIR内曲面由另外一个抛物面反射镜和内柱面圆柱布尔差集完成D：内柱面用过布尔差集完成最后通过布尔求和得到TIR透镜具体设计步骤如下：一：完成A/D柱面的创建●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物体”命令。●选择“圆柱/圆锥”模型，形状选择“圆柱”底部主半径输入：12.5；长度输入:16；点击插入，完成圆柱创建以同样的方法创建小圆柱面D，由于需要用布尔运算求差集得到内部C曲面，需要复制一个此圆柱D，在部件导航器中复制粘贴即可二、创建B/C反射面●从“插入”下拉菜单中，选择“反射镜”命令。选择二次曲面反射器●形状选择“抛物面”，计算选择“直径”输入厚度10，长度15.625，开孔半径0，焦距2.5，点击“插入”，创建TIR透镜的主反射受面B。以同样的方法创建内曲面C，需要注意C曲面反射镜的中心位置和焦距三，布尔运算先选择TIR直接圆柱，按住ctrl再选择TIR外曲面的反射镜，最后点击差集，完成TIR外曲面创建之后选择以上布尔差集得到的透镜，按住ctrl再选择TIR内柱面的圆柱，最后点击差集，完成TIR内圆柱面创建第三步，创建内曲面点击选择剩余的一个小圆柱，按住ctrl再选择调整焦距和位置反射镜，最后点击差集，完成TIR内圆柱曲面创建第三步，布尔求和将通过以上步骤完成的外曲面透镜和内曲面透镜求和，选择时不分先后，之后点击求和，完成TIR透镜的创建3.3.3黑板建模●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“方块”模型，输入宽度X=3600，Y=1000，Z=1，中心位置输入X:-900,Y:-700,Z:800,点击“插入”，创建黑板。4光学模拟及修改4.1光学模拟4.1.1材料设置由于此黑板灯主要是通过TIR透镜来实现聚光照射。只需要设置TIR透镜材质即可，如下第一步，选择求和的TIR透镜，点击右键“属性”，在应用特性中选择材料，目录选择“。点击应用，完成TIR透镜材料属性设置。4.1.2光源设置●从“定义”下拉菜单中，选择“表面光源设定”命令，并选择LED发光面。根据LED选型得知LED的光通量，LED亮度BIN选择K5和LV.因此选择的这颗LED的光通量为130lm。在表面光源中，发射形式选择“光通量”，单位选择“光度学”，场角分布选择“Lambertian发光型场”总光线数设置1000000.5461，用”，完成LED表面光源参数设置。4.1.2模拟及结果查看a:由于初步设计的LED和透镜其出光角度为水平方向，为保证黑板的亮度，需要将透镜向下偏转45°；●同时选择TIR透镜和LED，右键旋转，以X轴为旋转中心，旋转角度为45°，点击应用，完成LED和右键斜向下照射4.1.3阵列排布参考相关文献可知，黑板的照明是采用两个黑板灯来照射实现，并且单个灯具的长度一般在1.3m左右，因此此设计的单个黑板灯的尺寸要控制在直径1300mm内，通过TIR透镜的直径以及灯具总长度计算，此黑板灯LED数量和透镜间距设计在30mm，通过一字阵列分布，LED和透镜的数量需要41颗，最终LED和透镜阵列如下。●同时选择TIR透镜和LED，右键移动，以+X方向和-X方向，移动距离为30mm，各复制20个LED和透镜，完成LED和透镜的阵列第二个灯具设计●同时选择刚刚复制的所有的TIR透镜和LED，右键移动，以-X方向，移动距离为1800mm，各复制1此LED和透镜，完成第二个灯具的所有的LED和透镜的创建.4.1.3阵列排布光学模拟由于单个透镜和LED中已经设置了参考，在阵列复制的LED和透镜中，定义表面光源参数和材料也已经被定义，只需光线追迹分析即可，如下。点击“光线追迹”命令，等待光线追击完成可以从照度图看出，光斑过于集中，黑板对应灯的中心点位置亮度偏高，边缘亮度偏暗。根据GB/T5700要求，黑板灯平均照度为500lx，均匀度为0.8；TracePro配光模拟，测定的黑板上16个点的照度为点位P1P2P3P4P5P6P7P8照度lx617877928816733941865613点位P9P10P11P12P13P14P15P16照度lx329387525470452454439339Eav=611.5lx>500LX,平均照度满足要求黑板上的均匀度Ug=Emin/Eav=329/611.5=0.54<0.8,不满足要求眩光:指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件，通过UGR来衡量通过查询资料得知，UGR近似的等于灯具灯具的光学效率和光束角度在灯具垂直为自身发光角度上，设置一个3000*3000的接受面，确定其光学效率和光束角度通过TracePro配光模拟得知黑板灯输入的光通量=41*130lm=5330lm黑板灯垂直照射接受面时输出的光通量：4116.6lmη=4116.1/5330=77.2%<80%不满足设计要求灯具光束角度：从candela图看出，灯具的光束角度为45°，满足设计要求4.2修改以及优化为使黑板照度均匀，通过调整TIR透镜参数来满足国标要求。通过调整以下TIR透镜的参数，进行配光分析基础方案方案1方案2方案3方案4外曲面焦距2.52.752.7532.25内曲面焦距33552.75方案一：通过调整TIR透镜的曲面焦距，进行Tracepro分析，分析结果如下点位P1P2P3P4P5P6P7P8照度lx583901888764778906894636点位P9P10P11P12P13P14P15P16照度lx341387500386482473415319Eav=603.3lx>500LX,平均照度满足要求均匀度Ug=Emin/Eav=319/603.3=0.53<0.8,，均匀性还是不满足要求眩光:指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件，通过UGR来衡量通过查询资料得知，UGR近似的等于灯具灯具的光学效率和光束角度在灯具垂直为自身发光角度上，设置一个3000*3000的接受面，确定其光学效率和光束角度通过TracePro配光模拟得知黑板灯输入的光通量=41*130lm=5330lm黑板灯垂直照射接受面时输出的光通量：4107.4lmη=4107.4/5330=77%<80%不满足设计要求灯具光束角度：从candela图看出，灯具的光束角度为45°，满足设计要求方案二：通过调整TIR透镜的曲面焦距，进行Tracepro分析，分析结果如下点位P1P2P3P4P5P6P7P8照度lx586819907767645861853551点位P9P10P11P12P13P14P15P16照度lx330420501496440487478328Eav=591lx>500LX,平均照度满足满足要求均匀度Ug=Emin/Eav=328/591=0.55<0.8,，均匀性还是不满足要求眩光:指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件，通过UGR来衡量通过查询资料得知，UGR近似的等于灯具灯具的光学效率和光束角度在灯具垂直为自身发光角度上，设置一个3000*3000的接受面，确定其光学效率和光束角度通过TracePro配光模拟得知黑板灯输入的光通量=41*130lm=5330lm黑板灯垂直照射接受面时输出的光通量：4018lmη=4018/5330=75.4%<80%不满足设计要求灯具光束角度：从candela图看出，灯具的光束角度为64°大于45°，不满足设计要求方案3：分析结果如下点位P1P2P3P4P5P6P7P8照度lx621817851782647888914562点位P9P10P11P12P13P14P15P16照度lx387452458478453499458390Eav=603lx>500LX,平均照度满足满足要求均匀度Ug=Emin/Eav=387/603=0.64<0.8,，均匀性还是不满足要求，眩光:指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件，通过UGR来衡量通过查询资料得知，UGR近似的等于灯具灯具的光学效率和光束角度在灯具垂直为自身发光角度上，设置一个3000*3000的接受面，确定其光学效率和光束角度通过TracePro配光模拟得知黑板灯输入的光通量=41*130lm=5330lm黑板灯垂直照射接受面时输出的光通量：4009.9lmη=4009.9/5330=75.2%<80%不满足设计要求灯具光束角度：从candela图看出，灯具的光束角度为64°大于45°，不满足设计要求从方案2和方案3可以看出，当增大透镜的焦距时，亮度降低。且不满足法规要求，现重新调整透镜参数进行分析方案4：用在初始方案上减小焦距，分析结果如下点位P1P2P3P4P5P6P7P8照度lx570788808781674818782566点位P9P10P11P12P13P14P15P16照度lx348352458420368415410341Eav=546lx>500LX,平均照度满足满足要求均匀度Ug=Emin/Eav=341/556=0.61<0.8,，均匀性还是不满足要求，眩光:指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件，通过UGR来衡量通过查询资料得知，UGR近似的等于灯具灯具的光学效率和光束角度在灯具垂直为自身发光角度上，设置一个3000*3000的接受面，确定其光学效率和光束角度通过TracePro配光模拟得知黑板灯输入的光通量=41*130lm=5330lm黑板灯垂直照射接受面时输出的光通量：4211.3lmη=4211.3/533