樊冬新，刘鹏辉，葛聪聪，侯 宇

用于拓展光源的发光二极管反光杯的设计

樊冬新，刘鹏辉，葛聪聪，侯 宇

（唐山师范学院 物理系，河北 唐山 063000）

基于朗伯型LED光源的发光特点，采用迭代和二维曲面设计相结合的方法，设计了一种用于拓展光源的发光二极管（LED）反光杯，实现了能量的重新分配。仿真结果表明，反光杯反射的能量可以对光源直接照射目标引起的照度不均匀进行补偿，最后形成均匀的照度分布，能量利用率高。

照明设计；均匀照明；发光二极管；反光杯

1 引言

目前，LED光源已经成为照明的主流光源，它所需要的配光元件的设计和制造也成为研究热点。透镜作为一种主要的配光元件，设计方法多种多样，已经有了大量的研究和报道[1-5]。但实用效果不理想。对于LED反光杯的设计报道较少，一般非成像设计方法[6,7]和映射方法等[8]。也有多表面同时设计法，用得比较多的优化设计方法，需要反复调整结构参数，费时费力，设计效率低。而且报导中的这些方法，多数都只是给出了设计的过程，对于方法的适用性，设计出的反光杯的灵活性，适应的出光角度等描述较少[9]。

本文采用迭代和二维曲面设计相结合的方法设计了一种用于LED均匀照明系统中的反光杯。利用LightTools7.0软件，建模仿真分析了反光杯的照度分布、光强度分布以及照明深度。

2 设计与仿真

反光杯的设计思路如图1所示，将LED发出的光分成两部分考虑，1→2之间光没有被反光杯反射，直接照射到被照表面上。3→4之间的光线与5→6之间的光线对称的分布，它们先入射到反光杯的表面，然后被反光杯表面反射到被照表面上。反光杯的计算可以从1号或2号光线上的任意一个点开始计算，但是为了给反光杯一个合理的尺寸，也可以从LED的位置或者反光杯的底部开始计算。在这里选取从其底部计算，假设反光杯杯底的半径为10 mm，LED光源为目前市面上使用最多的朗伯光源，位于反光杯底座中心。

图1 光能量的分配方式

反光杯的光轴和被照表面重合，即照明系统为旋转对称系统，则整个LED光源发出的光通量为：

如果用反光杯反射的能量来补偿照度，则补偿的照度为：

可以求出每一个目标面上的对应的半径，进而求得反射光线的矢量，再通过反射定律，求得反光杯表面的法矢量：

根据法矢量和切矢量的关系，并近似认为任意点和临近点在同一个切矢量上，即得到下一个临近点的坐标，依次可求得所有点的坐标，各个矢量的位置如图2所示。

图3 反光杯轮廓图

在日常照明中，光线1或2与水平轴的夹角为=arctan2/3=33.7°。得到的反光杯的形状如图3所示，反光杯的外口径为34 mm，光斑内的平均照度为75。

设置LED的尺寸为1 mm*1 mm，追迹150万条光线，反光杯的内表面为完全反射，即不考虑吸收和散射损耗，光源的光通量设定为150，被照表面上的光通量为149，若不考虑吸收和散射损耗，反光杯的效率可以达到99.3%。光源离被照表面1 500 mm，其光线追迹如图4所示，为了便于分析，图中只显示了200条光线。

图4 200条光线的追迹图

从光线的分布情况可以看出，原来是半平面发光的LED光源，经过反光杯的配光以后，光线被很好地控制在了指定的位置。被照表面上的照度光栅图和曲线图如图5，图6(a)所示。

图5 被照表面的照度分布

图6 两个垂直方向上的照度曲线图和包围能量分布

从图6(a)的曲线图还可看出反光杯的照度非常均匀，光边清晰，平均照度75，均匀度在95%以上。图6(b)是被照表面的半径能量包围图。从图中可以看出，150的能量被控制在半径800 mm之内。图7(a)和(b)分别为光强度在两个方向上的分布图和光强的包围能量分布图。红色和蓝色分别代表竖直和水平两个方向上的光强。如图7(a)所示，能量被很好地限制在33.7°范围内。

图7 光强度分布图和包围分布能量

图8和图9分别为800 mm处和1 600 mm处的照度分布情况。从图中可见随着照明深度的增加，被照表面上的照度分布仍然很均匀，光边清晰，说明此反光杯适应性很强。

图8 800 mm处的照度分布

图9 1 600 mm处的照度分布

图10 LED芯片边长为(a)2 mm, (b)4 mm, (c)6 mm, (d)8 mm时的照度分布关系

光源的尺寸变化对照度的影响见图10所示。从图中可以看出，光源的尺寸在5 mm×5 mm以内，所设计的反光杯均能适用。

3 结论

本文方法设计的适用于可拓展LED光源的反光杯不但能够在指定表面形成均匀的照度分布，而且具有长的照明深度，对LED尺寸变化适应性强。这对于大功率LED的应用来说具有重要意义。与传统的反光杯设计方法相比，本文方法简单易用，大大缩减了从设计到生产的时间，提高了产品的转化效率。

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A Design of Light Emitting Diode Reflector for Deep Illumination and Extendable Light Source

FAN Dong-xin, LIU Peng-hui, GE Cong-cong, HOU Yu

(Department of Physics, Tangshan Normal University, Tangshan 063000, China)

Energy compensation method is used to design LED reflector for deep illumination and extendable light source. Lambert type LED light source is used here to complete the redistribution of energy. We divided the light rays emitting from the light source into two parts. One part directly reaches to the target surface, and the other part is reflected by the reflector and then reaches to the target surface. The energy reflected by the reflector compensates the illumination lack caused by the direct illumination, and finally forms a uniform illumination. Because the circular illumination is used, the two-dimensional design method is adopted in this paper. Reflector’s bus bar is designed, and then it is rotated to generate the reflector entity. Simulation is performed in the simulation software and the results are displayed. The reflector designed by the energy compensation method can control the light rays well. It forms a uniform illumination distribution and has a high energy efficiency.

illumination design; uniform illumination; LED; reflector

O439

A

1009-9115(2019)06-0047-04

10.3969/j.issn.1009-9115.2019.06.012

2019-03-24

2019-09-25

樊冬新（1997-），男，河北张家口人，本科生，研究方向为光学物理。

侯宇（1984-），男，河北唐山人，博士，讲师，研究方向为光学工程。

（责任编辑、校对：吴树新）