Построение компактных коллиматоров для мощных светодиодов

Характеристики мощных светодиодов

Мощные светодиоды имеют большой угол излучения. Популярные светодиоды компании Cree не являются исключением. Вот, например, характеристики светодиода XP-E2 [5]:

• габариты 3,45×3,45×2,08 мм;
• цвет белый;
• максимальный ток 1 A;
• максимальная мощность 3 Вт;
• максимальный световой поток 283 лм;
• номинальное прямое напряжение 2,9 В белый @ 350 мА;
• максимальное обратное напряжение 5 В;
• угол излучения 110°.

Коллиматоры

Существует множество вариантов коллиматоров (в русскоязычном варианте «Википедии» приведено следующее определение: «Оптический коллиматор — это устройство для получения пучков параллельных световых лучей». В англоязычной версии (https://en.wikipedia.org/wiki/Collimator) — «A collimator is a device that narrows a beam of particles or waves». В дословном переводе: «Коллиматор представляет собой устройство, которое сужает пучок частиц или волн». В статье рассматриваются устройства, попадающие под второе определение, а именно — для уменьшения угла излучения.), собирающих расходящееся излучение в зоне наблюдения. Среди них можно выделить линзы (преломляющие свет), отражатели и составные коллиматоры, состоящие из линз, преломляющих поверхностей и отражателей (рис. 1, 2).

Рис. 1. Примеры структур коллиматоров светодиодов

Рис. 2. Геометрия демонстрационных моделей среды проектирования оптических устройств LightTools

Требуемое равномерное освещение объекта или другое распределение освещенности достигается применением специальных материалов, рассеивающих поверхностей и корректировкой форм элементов коллиматора и их расположения.

Распределение лучей отражателя

Профиль отражателей вычисляется с учетом угла излучения и диаграммы направленности светодиода, размера объекта и расстояния до него, а также требуемого распределения освещенности объекта.

Некоторые варианты распределения лучей светодиода на поверхности объекта показаны на рис. 3.

Рис. 3. Варианты распределения лучей в зоне объекта:
а) фокусировка в центральной точке;
б, г) слабые лучи (см. диаграмму направленности) собираются на периферии зоны объекта, сильные — в центре (для усиления интенсивности центральной зоны);
в, д) слабые лучи собираются в центе, а сильные — на периферии (для выравнивания интенсивности засветки)

Расчет профилей отражателя

Расчет профиля отражателя, фокусирующего лучи точечного источника (рис. 3а), можно выполнить без использования специальных сред для разработки оптических систем.

Расчет выполняется в следующей последовательности;

1. Угловая зона отражаемого излучения и зона освещения делятся на равное количество участков. Чем больше участков, тем точнее расчет.
2. Находится угол отражения первого луча, который должен попасть в заданную точку зоны освещения. Например, угол голубой штриховой линии, лежащей в плоскости, которая отражает обозначенный луч a (рис. 4) так, чтобы он попал в центр желтой зоны освещения.
3. На найденной плоскости находится точка падения ближайшего следующего луча. В этой точке находится угол отражения поверхности, которая должна направить луч в следующую точку освещения. И так далее, для всех точек рассматриваемого излучения.

Рис. 4. Распределение прямых и фокусируемых лучей (слева) и диаграмма расчета профиля отражателя точечного источника (справа)

Совокупность точек отражения и составляет профиль отражателя (рис.5).

Рис. 5. Профили отражателей излучения точечных источников с углом излучения 180, 120, 60 и 20° для освещения 50-мм объекта, расположенного на расстоянии 300 мм от источника

Последовательность расчета отражателей можно использовать для сведения лучей в одной точке (вариант а, рис. 3), для равномерного распределения лучей от центра к периферии зоны освещения (варианты в, д, рис. 3) от периферии к центру (варианты б, г, рис. 3) или для распределения лучей по другому закону.

Диаграмма расчета профиля отражателя (рис. 3б) показана на рис. 6.

Рис. 6. Диаграмма расчета профиля отражателя лучей точечного источника:
«слабые» — периферийные — лучи (диаграммы направленности светодиода) идут к границам объекта,
«сильные» — центральные — лучи собираются в центре объекта (рис. 3б)

Сравнительные профили отражателей вариантов А, Б, В, Г, Д (рис. 3) показаны на рис. 7. Максимальный диаметр отражателей ограничен 6 мм.

Рис. 7. Профили 6-мм отражателей (слева) и углы отражаемых лучей (справа). Здесь углы рассчитаны относительно плоскости источника. Так, углу 30° соответствует угол излучения 120° = 2 × (90°–30°). Соответственно, минимальный угол прямых лучей (не касающихся отражателя) равен 50°, как 2 × (90°–65°)

Сравнение профилей (рис. 7) и распределения лучей (рис. 3) показывает, что длина коллиматоров и диапазон собираемых лучей максимальны для вариантов Г и Д. Коллиматор Г обеспечивает лучшую равномерность освещения объекта, чем коллиматор Д. Коллиматор Б имеет наибольшую зону для размещения линзы, которая соберет лучи не коснувшиеся отражателя. Угол расхождения прямых лучей, прошедших внутри отражателя Б, составляет 60° (как (90°–60°)×2).

Составной компактный коллиматор

Составной коллиматор включает отражатель ограниченного размера и линзу, которая фокусирует лучи, не собранные отражателем. Пакеты программ LightTools или TracePro используются для расчета коллиматоров с отражателями и линзами. Расчет линзы может быть выполнен отдельно, например в среде Zemax или Code V.

Построение отражателя в LightTools

Пакет программ LightTools позволяет выполнить расчет коллиматоров и оптимизировать их параметры в автоматическом режиме.

Рис. 8. Структуры компактного коллиматора из органического стекла ПММА (слева) и коллиматора со вставной линзой из стекла BK7 (справа) для освещения 50-мм объектов с расстояния 300 мм. Расчет отражающей поверхности выполнен в среде MATLAB, для расчета линзы использовалась среда Zemax

Рис. 9. Результаты расчета линзы коллиматора рис. 8 в Zemax

Результаты расчета в среде LightTools профиля оптимального отражателя без ограничения его размеров для освещения 50-мм объекта, удаленного от светодиода XP-E2 на 300 мм, показаны на рис. 10. Профиль отражателя описан кривой Безье [6]. Модель светодиода XP-E2 взята из библиотеки LightTools. Оптимальные выходной диаметр и длина модели коллиматора составили 12,9 и 18,9 мм соответственно.

Рис. 10. Размеры и эффективность отражателя Ø12,9×18,9 мм. Эффективность 17,5% определяется отношением количества лучей, достигших объекта, к количеству лучей, испускаемых источником

Ограничение диаметра отражателя 6,2 мм привело к снижению его эффективности с 17,5% до 5,6% (рис. 11). Это связано в основном с тем, что с уменьшением площади отражения возросло количество прямых лучей светодиода, не попадающих в зону объекта.

Рис. 11. Характеристики освещенности и параметры оптимального отражателя, собирающего лучи светодиода XP-E2 в диапазоне 69–103°. Максимальный диаметр отражателя ограничен 6,2 мм. Эффективность коллиматора ~5,6%

Уточненная модель светодиода отличается от точечного источника тем, что излучение формируется множеством точечных источников, распределенных по всей поверхности диода, например в зоне 1×1 мм для XP-E2. Углы излучения и диаграммы распределения силы света всех источников равны.

Профиль отражателя излучения распределенного источника (рис. 12) отличается от профиля отражателя для сосредоточенного источника (рис. 11), однако их эффективность (~5,6%) совпадает.

Рис. 12. Оптимальные параметры LightTools отражателя излучения распределенного источника XP-E2. Максимальный диаметр отражателя ограничен 6,2 мм. Эффективность коллиматора ~5,6%

Сравнение профилей отражателей, расcчитанных в MATLAB и LightTools

Профили отражателей, показанные на рис. 13, рассчитаны в MATLAB (профили: A, Б, В, Г, Д) и LightTools (профили: LT point, LT dist, LT unlim). В MATLAB выполнен ручной расчет для точечных источников. В LightTools оптимизация профилей выполнена в автоматическом режиме для точечного и распределенного источников с ограничением (6,2 мм) и без ограничения диаметра отражателя для равномерного освещения 50-мм объекта, удаленного от источника на 310 мм.

Рис. 13. Профили отражателей: А, Б, В, Г, Д — ограниченного диаметра (6 мм), рассчитаны в MATLAB для точечного источника; LT point — ограниченного диаметра (6,2 мм), рассчитан в LightTools для точечного источника; LT dist — ограниченного диаметра (6,2 мм), раcсчитан в LightTools для распределенного источника; LT unlim — свободного размера, расcчитан в LightTools для точечного источника

Алгоритмы оптимизации параметров в LightTools скрыты от пользователя. Для понимания алгоритма оптимизации LightTools, который использовался при расчете профиля LT dist (рис. 13), построено распределение лучей в MATLAB (рис. 14).

Распределение лучей (рис. 14) показывает, что оптимизация LightTools нашла профиль отражателя для центрального точечного источника с освещением 1/3 зоны объекта и использовала этот профиль для освещения всей зоны объекта источниками излучения, распределенными на площади светодиода 1×1 мм.

Рис. 14. Ход лучей распределенного источника, отражаемых в зону 50 мм с расстояния 310 мм:
общая диаграмма (слева); увеличенный фрагмент (справа).
Рассматривается излучение от краев (голубые и зеленые линии) и центра (красные линии) распределенного источника. Разделение краевых и центрального пучков 1×1-мм источника достигается смещениями отражателя на ±0,5 мм

Ручной расчет коллиматора

Для выполнения ручных расчетов отражателя распределенного источника необходимо:

1. Найти координаты точки отражателя, ближайшей к источнику.
2. Рассчитать профиль отражателя (см. алгоритм раздела «Расчет профилей отражателя» (рис. 4) для уменьшенной зоны объекта, например 1/3.

Через начальную точку отражателя, ближайшую к источнику, должны проходить лучи, испускаемые всеми точками плоскости светодиода. Прямые лучи, проходящие через начальную точку, должны освещать зону, соразмерную с объектом, находящимся на требуемом расстоянии от источника.

Положению начальной точки отражателя соответствует точка 1 на поверхности светодиода радиусом 1,5 мм (рис. 15), через которую проходят крайние (L и R) и центральный (C) лучи распределенного излучателя в зону ~50 мм, отстоящую от источника на 310 мм.

Рис. 15. Построение лучей для поиска начальной точки отражателя. Зоны располагаются на окружности радиусом 310 мм (правый рисунок), равном расстоянию до объекта. На левом рисунке показано увеличенное изображение с поверхностью светодиода радиусом 1,5 мм

Угол излучения рассчитанного коллиматора с отражателем можно уменьшить, включив в структуру коллиматора линзу, как показано на рис. 8.