第30卷第3期应用光学V01.30No.32009年5月JournalofAppliedOpticsMay2009文章编号:1002—2082(200903—0372—05一种实现大功率LED均匀照明的投射器设计吴仍茂,屠大维,黄志华(上海大学机电工程与自动化学院,上海200072摘要:以特定区域的均匀照明为目标,设计一种以单粒LED为光源的均匀投射系统。根据LED的发光特性以及能量守恒定律选择采用折射一全反射(TIR光学系统,通过建立TIR折射面及全反射面轮廓曲线上的点所满足的常微分方程,利用Runge—Kutta求解常微分方程得到轮廓曲线上点的坐标,再在UG中对坐标点进行曲线拟合得到轮廓曲线,进而得到TIR模型及适合数控加工的面形数据。将TIR模型导A.Tracepro并对投射系统追迹光线。模拟结果表明:目标平面的光照均匀度达到92.6%,系统的效率达到91.8%。关键词:应用光学l大功率LED;投射器;LED照明;照度中图分类号:TN312.8文献标志码:ADesignofuniformilluminationprojectorwithhighpowerLEDWUReng—mao,TUDa—wei,HUANGZhi—hua(CollegeofMechatronicsEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,ChinaAbstract:AuniformprojectionsystemwithasingleLEDaslightsourcewasdesignedforthepurposeoftheuniformilluminationinadesignatedregion.Anopticalsystemwithrefractionandtotalinternalreflection(TIRwasproposedaccordingtOtheluminouscharacteristicofLEDandthelawofenergyconservation.TheordinarydifferentialequationssatisfyingthespotsonthecontourcurveofTIRrefractiveandreflectiveplaneswereestablished.Thecoordinatesofpoints0nprofilecurveswereobtainedbysolvingtheseordinarydifferentialequationsusingRunge—Kuttamethod.TheprofilecurveswereacquiredbycurvefittingofthecoordinatespotswithsoftwareUG,andthenTIRmodeloftheprojectoranddataofthesurfaceshapesuitableforNCmanufacturewereobtained.TheTIRmodeloftheprojectorwasintroducedintoTracepro,andraysweretraced.Theresultsshowthattheilluminationuniformityoftheilluminatedregionisbetterthan92.6%,andtheefficiencyofthewholesystemismorethan91.8%.Keywords:appliedoptics;high—powerLED;projector;LEDillumination;illuminance引言LED是2l世纪具有竞争力的新型固体光源,它具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长、可靠耐用、无污染、控制灵活等优点m2|。随着LED技术不断完善,LED的光通量及光效将不断提高。目前,商业化的单粒5W白光LED的光通量已达到200lm,而实验室高亮度白光LED的水平已达到115Ira/W[纠。以单粒LED为光源的照明系统不断增多,如收稿日期:2008—10.27f修回日期:2008—11一05基金项目:国家自然科学基金(60774102;上海市重点优势学科(Y0102作者简介:吴仍茂(1984--,男,江西抚州人,硕士,主要从事LED照明系统研究和设计。E—mail:xiaofeng—SOSO@126.com。万方数据应用光学2009,30(3吴仍茂,等:一种实现大功率LED均匀照明的投射器设计・373・LED投影仪、LED射灯以及LED光学传感器等[4]。LED芯片的出光为Lambertian分布,这样的光场分布,如果不经过合适的光学系统处理而直接应用,在大多数情况下都难以满足照明灯具和器件所需要达到的性能指标。因此,对以LED为光源的照明系统进行二次光学设计是十分必要的。照明系统实现均匀照明则是通过二次光学设计使照明系统在一个给定的区域内形成一个照度均匀的光斑。照明系统一般分为反射型、折射型以及反射一折射混合型,其中反射一折射混合型主要利用全内反射(TIR技术[5]。LED出光范围大,反射型或者折射型照明系统往往很难控制LED的全部出光,TIR利用折射和全反射,可以有效地收集LED大范围的出光,并控制光束分布,保证照明系统结构紧凑[2]。本文提出了一种实现单粒LED均匀照明的投射器,给出了该投射器的理论计算和光学设计模型,对该均匀照明系统进行了光线追迹,并对光线追迹结果进行了分析。1LED芯片光学特性分析LED芯片可视为Lambertian光源,光线出射满足余弦分布,如图1所示。0。图蹈l0.50051RelativeluminousintensityVSradiationangle圈1LED芯片相对光强分布曲线Fig.1Relativeintensitydistribu...