Побудова компактних коллиматоров для потужних світлодіодів +21
- 05.12.16 4:32 •
- dr_bob_davidov •
- # 316828 •
- Хабрахабр •
- 5 •
- 5500
- такий же як Forbes, тільки краще.
Характеристики потужних світлодіодів
Потужні світлодіоди мають великий кут огляду. Популярні світлодіоди компанії CREE не є винятком. Ось, наприклад, характеристики світлодіода XP-E2 [5].
• Розмір 3,45 х 3,45 x 2.08 мм
• Колір білий
• Максимальний струм 1 A
• Максимальна потужність 3 Вт
• Максимальний світловий потік 283 лм
• Номінальна пряме напруга 2.9 V Білий @ 350 мА
• Максимальна зворотна напруга 5 В
• Кут огляду 110 °
коліматори
Існує безліч варіантів коллиматоров, які збирають розходиться випромінювання в зоні спостереження. Серед них можна виділити лінзи (заломлюють світло), відбивачі і складові коліматори, що складаються з лінз, заломлюючих поверхонь і відбивачів (Рис. 1, Рис. 2).
Необхідну рівномірне освітлення об'єкту або інший розподіл освітленості досягається застосуванням спеціальних матеріалів, що розсіюють поверхонь і коригуванням форм елементів коллиматора і їх розташування.
Мал. 1. Приклади структур коллиматоров світлодіодів [1,2,3,4].
Мал. 2. Геометрія демонстраційних моделей середовища проектування оптичних пристроїв LightTools.
Розподілу променів відбивача
Профіль відбивачів обчислюється з урахуванням кута огляду і діаграми спрямованості світлодіода, розміру об'єкта і відстані до нього, а також і необхідного розподілу освітленості об'єкта.
Деякі варіанти розподілу променів світлодіода на поверхні об'єкту показані на Рис. 3.
Мал. 3. Варіанти розподілу променів в зоні об'єкта. A - фокусування в центральній точці; B, D - слабкі промені (див. Діаграму спрямованості) збираються на периферії зони об'єкта, сильні - в центрі (для посилення інтенсивності центральної зони); варіанти З і E збирають слабкі промені в центі, а сильні - на периферії (для вирівнювання інтенсивності засвітки).
Розрахунок профілів відбивача
Розрахунок профілю рефлектора, що фокусує промені точкового джерела (Рис. 3, варіант А), можна виконати без використання спеціальних середовищ для розробки оптичних систем.
Мал. 4. Розподіл прямих і фокусованих променів (на цьому малюнку зліва, Рис. 3, варіант А) і діаграма розрахунку профілю рефлектора точкового джерела (праворуч).
Далі, приведена програма розрахунку і побудови профілю рефлектора (Рис. 5) в середовищі МАТЛАБ з використанням побудов Рис. 4.
Мал. 5. Профілі відбивачів випромінювання точкових джерел з кутом огляду 180, 120, 60 і 20 град для освітлення 50 мм об'єкта, розташованого на відстані 300 мм від джерела.
Діаграма розрахунку профілю рефлектора В (Рис. 3) показана на Рис. 6.
Мал. 6. Діаграма розрахунку профілю рефлектора променів точкового джерела: «Слабкі» - периферійні промені (діаграми спрямованості світлодіода) йдуть до кордонів об'єкта, «Сильні» центральні промені збираються в центрі об'єкта (Рис. 3, варіант В).
Мал. 7. Профілі 6 мм відбивачів (зліва) і кути розкритих променів (праворуч). Тут, кути розраховані щодо площині джерела. Так, кутку 30о відповідає кут огляду 120о = 2 * (90о -30о). Відповідно, мінімальний кут прямих променів (які не стосуються відбивача) дорівнює 50о, як 2 * (90о - 65о).
Порівняльні профілі відбивачів варіантів A, B, C, D, E (Рис. 3) показані на Рис. 7. Максимальний діаметр відбивачів обмежений 6 мм.
Порівняння профілів (Рис. 7) і розподіл променів (Рис. 3) показує, що довжина коллиматоров і діапазон зібраних променів максимальні для варіантів D і E. Коліматор Е забезпечує кращу рівномірність освітлення об'єкту, ніж коллиматор D. Коліматор В має найбільшу зону для розміщення лінзи, яка збере промені не торкнулися відбивача. Кут розходження прямих променів пройшли всередині відбивача В становить 60 градусів (як 90-60 * 2).
Складовою компактний коллиматор
Складовою коллиматор включає відбивач, обмеженого розміру, і лінзу, яка фокусує промені не зібрані відбивачем. Пакети програм LightTools або TracePro використовуються для розрахунку коллиматоров з відбивачами і лінзами. Розрахунок лінзи може бути виконаний окремо, наприклад, в середовищі Zemax або Code V.
Мал. 8. Структури компактного коллиматора з органічного скла ПММА (вгорі) і коллиматора зі вставною лінзою зі скла BK7 (внизу) для освітлення 50 мм об'єктів з відстані 300 мм. Розрахунок відбиває виконаний в МАТЛАБ, для розрахунку лінзи використане середовище Zemax.
Мал. 9. Результати розрахунку лінзи коллиматора Рис. 8. в Zemax.
Побудова відбивача в LightTools
Пакет програм LightTools дозволяє виконати розрахунок коллиматоров і оптимізувати їх параметри в автоматичному режимі.
Результати розрахунку в середовищі LightTools профілю оптимального відбивача без обмеження його розмірів для освітлення 50 мм об'єкта, віддаленого від світлодіода XP-E2 на 300 мм, показані на Рис. 10. Профіль відбивача описаний кривої Безьє (Bezier) [6]. Модель світлодіода XP-E2 взята з бібліотеки LightTools. Оптимальні вихідний діаметр і довжина моделі коллиматора склали 12.9 і 18.9 мм відповідно.
Мал. 10. Розміри і ефективність відбивача O12.9 x 18.9 мм. Ефективність 17.5% визначається відношенням кількості променів досягли об'єкта до кількості променів випускаються джерелом.
Обмеження діаметра відбивача 6.2 мм привело до зниження його ефективності з 17.5% до 5,6% (Рис. 11). Це пов'язано, в основному, з тим, що зі зменшенням площі відображення зросла кількість прямих променів світлодіода що не потрапляють в зону об'єкта.
Мал. 11. Характеристики освітленості і параметри оптимального відбивача, що збирає промені світлодіода XP-E2 в діапазоні 69 ... 103 град. Максимальний діаметр відбивача обмежений 6.2 мм. ефективність коллиматора
Уточнена модель світлодіода відрізняється від точкового джерела тим, що випромінювання формується безліччю точкових джерел, розподілених по всій поверхні діода, наприклад, в зоні 1 х 1 мм для XP-E2. Кути огляду і діаграмами спрямованості всіх джерел рівні.
Профіль відбивача випромінювання розподіленого джерела (Рис. 12) відрізняється від профілю рефлектора для зосередженого джерела (Рис. 11), проте їх ефективності (
Мал. 12. Оптимальні параметри LightTools відбивача випромінювання розподіленого джерела XP-E2. Максимальний діаметр відбивача обмежений 6.2 мм. ефективність коллиматора
Порівняння профілів відбивачів, розрахований в МАТЛАБ і LightTools
Профілі відбивачів, показані Рис. 13, розраховані в МАТЛАБ (профілі: A, B, C, D, E) і LightTools (профілі: LT point, LT dist, LT unlim). У МАТЛАБ виконаний річний розрахунок для точкових джерел. У LightTools оптимізація профілів виконана в автоматичному режимі для точкового і розподіленого джерел з обмеженням (6.2 мм) і без обмеження діаметра відбивача для рівномірного освітлення 50 мм об'єкта, віддаленого від джерела на 310 мм.
Мал. 13. Профілі відбивачів: A, B, C, D, E - обмеженого діаметра (6 мм), розраховані в МАТЛАБ для точкового джерела; LT point - обмеженого діаметра (6.2 мм), розрахований в LightTools для точкового джерела; LT dist - обмеженого діаметра (6.2 мм), раcсчітан в LightTools для розподіленого джерела; LT unlim - вільного розміру, розрахований в LightTools для точкового джерела.
Алгоритми оптимізації параметрів в LightTools приховані від користувача. Для розуміння алгоритму оптимізації LightTools, який використовувався при розрахунку профілю «LT dist» (Рис. 13) побудовано розподіл променів в МАТЛАБ (Рис. 14).
Мал. 14. Хід променів розподіленого джерела відображаються в зону 50 мм з відстані 310 мм, загальна діаграма (зліва), збільшений фрагмент (праворуч). Розглядається випромінювання від країв (блакитні та зелені лінії) і центру (червоні лінії) розподіленого джерела. Поділ крайових і центрального пучків 1х1 мм джерела досягається зсувами відбивача на ± 0.5 мм.
Розподіл променів (Рис. 14) показує, що оптимізація LightTools знайшла профіль відбивача для центрального точкового джерела з освітленням 1/3 зони об'єкта і використовувала цей профіль для освітлення всієї зони об'єкта джерелами випромінювання, розподіленими на площі світлодіода 1х1 мм.
Код МАТЛАБ для обчислення масиву точок оптимального профілю рефлектора - кривий Безьє ( 'Besier_profile_dist_source.mat'), заданої параметрами LightTools Bezier_WX Bezier_Relative_UX і Bezier_VX:
Ручний розрахунок коллиматора
Для виконання ручних розрахунків відбивача розподіленого джерела необхідно:
1. Знайти координати точки відбивача, найближчої до джерела.
2. Розрахувати профіль відбивача (див. Алгоритм розділу Розрахунок профілів відбивача) для зменшеної зони об'єкта, наприклад, 1/3.
Через початкову точку відбивача, найближчу до джерела, повинні проходити промені, що випускаються всіма точками площини світлодіода. Прямі промені, що проходять через початкову точку, повинні висвітлювати зону відповідну з об'єктом, що знаходиться на необхідній відстані від джерела.
Мал. 15. Побудова променів для пошуку початкової точки відбивача. Зони розташовуються на окружності радіусом 310 мм (правий малюнок) рівному відстані до об'єкта. На лівому малюнку показано збільшене зображення з поверхнею світлодіода радіусом 1,5 мм.
50 мм, що відстоїть від джерела на 310 мм.
Кут огляду розрахованого коліматора з відбивачем можна зменшити, включивши в структуру коллиматора лінзу, як показано на Рис. 8.
Ви можете допомогти і перевести трохи коштів на розвиток сайту