CN107166236B - 一种led太阳模拟器光学系统设计方法 - Google Patents

一种led太阳模拟器光学系统设计方法 Download PDF

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Abstract

一种LED太阳模拟器光学系统设计方法，其步骤是：1）设计LED光源模块，该LED光源模块为一个匹配太阳全光谱的COB光源模块；或者，为由多个匹配局部太阳光谱的COB光源模块组成的太阳全光谱光源模块；2）对LED光源模块进行二次光学设计，从而形成LED太阳模拟器光学系统。本发明的目的在于，提供一种紧凑、小型，能够实现有效辐照面高辐照度均匀性、高光谱匹配性，且出射光具有高准直性的LED太阳模拟器光学系统设计方法。

Description

一种LED太阳模拟器光学系统设计方法
技术领域
本发明属于二次光学设计领域，具体是涉及一种LED太阳模拟器光学系统设计方法。
背景技术
太阳模拟是利用人工光源模拟太阳光辐照特性的一门技术，能够提供与太阳光光谱相匹配的、准直的、辐照度稳定的辐射源，在航空航天、气象、民用等领域应用广泛。目前，国内外使用的大部分太阳模拟器的光学系统仍是针对氙灯为光源作为设计，虽然氙灯的光谱线最接近自然太阳光照，但采用氙灯作为光源，仍具有寿命短、成本高、体积大等缺陷。除光源自有缺陷外，通过采用滤光片等技术，获得较为理想的标准光源，将导致能量损失严重；此外，这些传统光源体积较大，要实现均匀照度分布，需要较大光学系统进行光线整合，加大了系统设计的复杂性，并导致整体光学系统庞大。
半导体照明（LED照明）是继白炽灯、荧光灯之后的第三次光源革命。相比氙灯，具有高效、节能、环保、长寿命、近似点光源，易于光学设计等优势，将LED取代传统太阳模拟器光源，能够很大程度上的缩小太阳模拟器的体积，并减小使用功率，有利于其光学系统往小型化、便携式方面发展。因此，很有必要发明一款新型适合LED为光源的太阳模拟器光学系统。
目前，LED太阳模拟器光学系统的设计多是阵列排布，为了实现太阳光光谱，阵列LED光源需多种不同波长LED芯片光源均匀混合，这导致对该系列阵列光源进行的二次光学设计难度非常大，因为目前没有针对多波长扩展光源有效的光学解决方案，而且该光学系统需同时解决太阳光模拟器准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标，进一步加剧该系统设计的难度。然而，由于阵列光源，光源过多、且不同波长，很难通过结构优化算法去支撑该光学系统设计，而光电一体化光学设计将是一种相对有效的解决途径。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种紧凑、小型，能够实现有效辐照面高辐照度均匀性、高光谱匹配性，且出射光具有高准直性的LED太阳模拟器光学系统设计方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明所述的LED太阳模拟器光学系统设计方法，其特点是包括以下步骤：
步骤一、设计LED光源模块，该LED光源模块为一个匹配太阳全光谱的COB光源模块；或者，为由多个匹配局部太阳光谱的COB光源模块组成的太阳全光谱光源模块；而且，根据AM1.5太阳光谱曲线，所述COB光源模块选取不同波长的LED芯片集合而成；或者，选取表面添加了不同荧光粉的LED芯片集合而成；或者，选取表面添加了荧光粉的不同LED芯片集合而成；
步骤二、对LED光源模块进行二次光学设计，从而形成LED太阳模拟器光学系统；所述的二次光学设计，包括：
a）LED芯片位置排布设计：将LED光源模块采用的若干个LED芯片中的两个LED芯片设置在LED光源模块的中间位置，其余的LED芯片设置在这两个LED芯片的外周，且位于中间的两个LED芯片的其中一个的波长为600nm-700nm，另一个的波长为700nm-800nm；
b）准直透镜设计：采用全反射TIR透镜；或者，采用菲涅耳透镜；
c）全反射腔设计：全反射腔由两个抛物面及设置在两个抛物面之间的圆柱反射管组成，通过该全反射腔能够汇聚COB光源于匀光系统，并提高汇聚效率；
d）匀光系统设计：采用全反射导光柱或导光圆锥；
e）光强控制：在全反射导光柱或导光圆锥的前端添加一个漫反射微结构单元，通过该漫反射微结构单元能够改变匀光系统出光口的光强分布曲线，协调进一步准直及均匀性调控，而且该漫反射微结构单元的微结构图形为球形、锥形、抛物形中的一种或三种的组合；
f）自由曲面反射设计：采用自由曲面反射镜，且自由曲面的离散点轨迹是依据匀光系统出光口光强分布曲线及准直性限制条件计算所得。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1）本发明采用非成像光学设计，综合考虑LED光源排布、电学控制、以及相匹配的光学系统设计相比传统设计，这将很大程度增大设计的灵活性与自由度，较容易实现太阳模拟器的性能参数；
2）本发明针对传统LED阵列光源，将能产生太阳光谱的重复单元光源集成于COB光源模块，然后通过COB光源排布、混光、二次光学设计了一种紧凑、小型LED太阳模拟器光学系统，可以减轻传统混光压力，并降低一体化设计中光源排布难度；
3）由于集成的COB光源属于面光源，经准直透镜后存在一个较大的发散角，准直光经反射镜汇聚到匀光系统时，存在能量损失，在此背景下，本发明设计一个可收敛的全反射腔系统，再次汇聚遗失的能量，提高光源的汇聚效率；
4）本发明中的准直性设计，是通过导光柱或导光圆锥匀光系统前端添加一个漫反射微结构单元，以及在出光口处进行反射镜自由曲面设计，经两者优化设计实现光路准直，相比传统设计思路，准直光较容易实现，因为通过光学积分器匀光后再经透镜产生的准直光存在的一定色散现象，本发明中准直光是经匀光后再经反射镜产生，这样的光学解决发案，会使光最终未发生折射，不会导致最终的色散现象，将使得太阳光模拟器光谱匹配性大幅度提高，准直性≤1º、辐照不均匀度≤2%。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的新型LED太阳模拟器光学结构示意图。
图2是本发明所述COB光源模块的结构示意图。
图3是本发明的微结构图形示意图。
图4是本发明仿真结构示意图。
图5是本发明仿真结果图。
具体实施方式
本发明所述的LED太阳模拟器光学系统设计方法，包括以下步骤：
步骤一、设计LED光源模块，该LED光源模块为一个匹配太阳全光谱的COB光源模块；或者，为由多个匹配局部太阳光谱的COB光源模块组成的太阳全光谱光源模块；而且，根据AM1.5太阳光谱曲线，所述COB光源模块可选取不同波长的LED芯片集合而成；或者，选取表面添加了不同荧光粉的LED芯片集合而成；或者，选取表面添加了荧光粉的不同LED芯片集合而成；
步骤二、对LED光源模块进行二次光学设计，从而形成LED太阳模拟器光学系统；所述的二次光学设计，包括：
a）LED芯片位置排布设计：将LED光源模块采用的若干个LED芯片中的两个LED芯片设置在LED光源模块的中间位置，其余的LED芯片设置在这两个LED芯片的外周，且位于中间的两个LED芯片的其中一个的波长为600nm-700nm，另一个的波长为700nm-800nm；
b）准直透镜设计：采用全反射TIR透镜；或者，采用菲涅耳透镜；
c）全反射腔设计：全反射腔由两个抛物面及设置在两个抛物面之间的圆柱反射管组成，通过该全反射腔能够汇聚COB光源于匀光系统，并提高汇聚效率；
d）匀光系统设计：采用全反射导光柱或导光圆锥；
e）光强控制：在全反射导光柱或导光圆锥的前端添加一个漫反射微结构单元，通过该漫反射微结构单元能够改变匀光系统出光口的光强分布曲线，协调进一步准直及均匀性调控，而且该漫反射微结构单元的微结构图形为球形、锥形、抛物形中的一种或三种的组合；
f）自由曲面反射设计：采用自由曲面反射镜，且自由曲面的离散点轨迹是依据匀光系统出光口光强分布曲线及准直性限制条件计算所得。
如图1所示，通过本发明设计的LED太阳模拟器光学系统，包括LED光源模块1、单个LED芯片光源准直系统2、全反射腔3、聚光反射镜4、漫反射微结构单元5、导光管6、准直光反射镜7和散热系统8。
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
1）为解决光谱匹配问题，本发明优选实施例中LED光源模块由重复的单个COB光源模块组成，该COB光源模块根据AM1.5太阳光谱曲线，在300nm-400nm，400nm-500nm，500nm-600nm，600nm-700nm，700nm-800nm，800nm-900nm，900nm-1000nm，1000nm-1100nm，各波段内分别选择一种LED芯片，共八种不同波长的LED芯片集成在一起。通过调整不同波段内对应LED芯片的光强值，实现全波段的光谱匹配。具体结构示意图如图2所示，其中，位于中间的两个LED芯片的波长依次设置为600nm-700nm和700nm-800nm。
2）为解决有效辐照面上辐照不均匀度及准直性的要求，本发明优选实施例是通过依次对COB光源模块位置排布、准直透镜设计、全反射腔设计、光强控制、全反射导光柱匀光系统结构设计、以及自由曲面反射镜，即对光路进行整体把控，实现有效辐照面的辐照不均匀度的技术指标要求。具体地，a）采用的八种不同波长的LED芯片，排布中间的两LED芯片波长依次在600nm-700nm，700nm-800nm之间；b)准直透镜为全反射TIR透镜；c）全反射腔是由上、下两个抛物面，及中间圆柱反射管组成，其目的在于汇聚COB光源于匀光系统，并提高汇聚效率；d）全反射导光柱匀光系统，前端添加一个漫反射微结构单元，微结构单元的微结构图形为球形，如图3所示，目的在于改变匀光系统出光口的光强分布曲线，协调进一步准直及均匀性调控；e）自由曲面的离散点轨迹是依据匀光系统出光口光强分布曲线，及准直性限制条件计算所得。
为了验证优选实施例的可行性，本发明采用照明设计软件Tracepro对该优选实施例照明系统进行结构建模，并进行光线仿真模拟。仿真过程如下：
1）结构建模，均按优选实施例要求同比例建模，具体仿真结构示意图如图4所示；2）材质属性定义；3）按优选实施例中光源排布进行光源定义；4）蒙特卡洛光线追迹；5）仿真结果分析。
为了验证本发明LED太阳光模拟器是否满足设计要求，仿真模型中，在离照明系统0.5米放置一个方形检测屏，照度结果及光强随角度分布曲线如图5所示，圆形光斑，准直性≤1º、辐照不均匀度≤2%。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (1)

1.一种LED太阳模拟器光学系统设计方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、设计LED光源模块，该LED光源模块为一个匹配太阳全光谱的COB光源模块；或者，为由多个匹配局部太阳光谱的COB光源模块组成的太阳全光谱光源模块；而且，根据AM1.5太阳光谱曲线，所述COB光源模块选取不同波长的LED芯片集合而成；或者，选取表面添加了不同荧光粉的LED芯片集合而成；或者，选取表面添加了荧光粉的不同LED芯片集合而成；
步骤二、对LED光源模块进行二次光学设计，从而形成LED太阳模拟器光学系统；所述的二次光学设计，包括：
a)LED芯片位置排布设计：将LED光源模块采用的若干个LED芯片中的两个LED芯片设置在LED光源模块的中间位置，其余的LED芯片设置在这两个LED芯片的外周，且位于中间的两个LED芯片的其中一个的波长为600nm-700nm，另一个的波长为700nm-800nm；
b)准直透镜设计：采用全反射TIR透镜；或者，采用菲涅耳透镜；
c)全反射腔设计：全反射腔由两个抛物面及设置在两个抛物面之间的圆柱反射管组成，通过该全反射腔能够汇聚COB光源于匀光系统，并提高汇聚效率；
d)匀光系统设计：采用全反射导光柱或导光圆锥；
e)光强控制：在全反射导光柱或导光圆锥的前端添加一个漫反射微结构单元，通过该漫反射微结构单元能够改变匀光系统出光口的光强分布曲线，协调进一步准直及均匀性调控，而且该漫反射微结构单元的微结构图形为球形、锥形、抛物形中的一种或三种的组合；
f)自由曲面反射设计：采用自由曲面反射镜，且自由曲面的离散点轨迹是依据匀光系统出光口光强分布曲线及准直性限制条件计算所得。
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