新型LED礦燈光學系統的設計

劉 青，張 云 翠，劉 龍，鄒 念 育，高 英 明，王 嫣 然

(1.大連工業大學 光子學研究所，遼寧 大連 116034；2.大連東軟信息學院 嵌入式系統工程系，遼寧 大連 116023)

0 引 言

礦燈對于煤礦作業人員的井下工作至關重要，相比傳統的礦燈光源，LED具有光效高、壽命長、體積小、工作時較低的結溫不易引燃爆炸性氣體的優點[1]；同時，LED光源近似點光源，便于光學系統的設計，使LED礦燈成為目前礦燈研制的熱點[2]。國家標準《MT 927—2004KL型礦燈》規定額定容量為7A·h的礦燈在1m處中心照度大于等于350lx。大部分KL型礦燈在1m處的光斑半徑為120mm左右，光照度良好[3]。針對LED光源的特殊性，采用光強分布類似朗伯分布的LED光源，需要高效的光學會聚系統，以減少雜散光。目前的LED礦燈光學系統的方式有反射式、透射式等，但在實際應用時存在聚光性能差、透鏡體積大等缺點[4]，基于此，作者提出一種新型的LED礦燈光學系統，以適應井下照明的特殊要求。

1 新型LED礦燈的光學系統設計

不同結構的LED礦燈光學系統比較研究如下。圖1為國內高校提出的折反射器，透鏡和反射器配合使用，提高了聚光性能。但是系統中的反射器的高度較大，燈具效率較低，不利于實際應用。圖2為全反射式準直透鏡，光源所有的出射光線都被配成平行光射出。其優點是結構緊湊，無需內鍍反射層。但此透鏡的聚光性能低于現有的折反射器，另外，透鏡在結構設計上仍存在一定的材料浪費，體積可進一步減小。

圖1 折反射器Fig.1 Hybrid optical system

圖2 全反射式準直透鏡Fig.2 TIR collimator

為解決以上LED礦燈光學系統中的反射器過高、結構不夠合理等缺陷，作者提出一種新型LED礦燈的光學系統，其主要由新型自由曲面折反射器構成，包括折射器和自由曲面反射器，如圖3所示。

圖3 新型自由曲面折反射器Fig.3 New illumination system

1.1 折射器的設計

折射器包括自由曲面形的折射面、鋸齒型曲面和凹陷的半球殼體，折射面將光源發出的0°～20°和20°～40°的光線配成0°的平行光線射出；鋸齒型曲面位于折射器的上部內側，用于減小折射器的體積；凹陷的半球殼體，位于折射器的底部，并與反射器的底部相匹配，起支撐折射器的作用[5－7]。

如圖4所示，點O為LED光源，θi和θi＋1分別為光源發出的第i和i＋1條光線與Y軸的夾角，OM為折射面的邊緣光線，點A(xi，yi)和點B(xi＋1，yi＋1)為光線與透鏡母線的交點，βi為點A處切線與水平線的夾角，αi為點A處入射角，δi為點A處出射角。

圖4 折射面的母線迭代分析Fig.4 Iterative analysis of refracting surface

采用近似算法，將點(xi，yi)與點(xi＋1，yi＋1)之間的母線所在直線近似為點(xi，yi)處的切線，即將母線的斜率表示為[5]

光線入射角和切線與水平線的夾角滿足以下關系：

為使出射光線與Y軸正方向平行，光線出射角δi應等于切線與水平線的夾角，即

通過代換可得

將式(4)代入式(1)得到母線各點坐標的迭代公式：

將由式(5)、(6)求得的母線各點坐標連線即可得到折射面的母線。

由于出射光線為平行光，透鏡的折射僅僅發生在光學表面，所以在不影響出射光線方向的基礎上可去除部分光學材料，如圖5所示，將折射器上方內部加工成鋸齒型曲面，減少光線損耗，并減小折射器的體積，并降低制造成本。

圖5 鋸齒形曲面的設計Fig.5 Design of saw toothed surface

1.2 自由曲面反射器的設計

自由曲面形的反射面位于反射器的側面，將光源發出的40°～90°的光反射成0°的平行光線射出。

如圖6所示，θj和θj＋1分別為光源發出的第j和j＋1條光線與X軸的夾角；OJ為反射面的邊緣光線，點U(xj，yj)和點V(xj＋1，yj＋1)為光線在反射面上的入射點；βj為點U處切線與水平線的夾角；αj為點U處入射角；δj為點A處出射角。

圖6 反射面的母線迭代分析Fig.6 Iterative analysis of reflecting surface

光線入射角和切線與水平線的夾角滿足以下關系：

為使出射光線與Y軸正方向平行，光線出射角δj應等于切線與水平線的夾角，即

通過代換可得

將式(9)代入式(1)即得反射面母線各點坐標的迭代公式：

將由式(10)、(11)求得的母線各點坐標連線即可得到反射面的母線。

2 光學系統仿真分析

通過計算得到設計所需的系統模型，其中反射器的口徑為50mm，高為30mm；折射器的口徑為18mm，高為11mm。利用犀牛軟件建模結果如圖7所示實體。

圖7 LED礦燈光學系統圖Fig.7 LED illumination system

選用 Cree公司型號為 XPEWHT－4B0－Q4，光通量為100lm的中性白貼片式LED作為光源。將光學系統的模型導入光學仿真軟件后進行光線追跡，其仿真結果如圖8、9所示。由圖8、9可見，本光學系統的大多數出射光線都較為平行，光線出射角小于10°。因此本系統對光線的利用率高，會聚效果較好，可以形成較小的中心光斑，即使在較遠處也能滿足礦燈的光照度要求，從而提高了工人井下工作的效率和安全性。

圖8 光線追跡效果圖Fig.8 Ray tracing of the system

圖10為光學系統在1m處的光斑效果，其半徑為125mm，大小適中，避免了｀過小造成眩光產生視覺疲勞、過大照度不夠影響可見性的問題。系統的中心照度達到1 250lx，達到國家標準要求的中心照度指標。經過計算得到光照均勻度大于0.5，說明光斑較均勻，光斑質量較好。本系統的折射器采用PMMA材質，反射器采用鋁，燈具效率約為84%。

圖9 光強分配仿真結果圖Fig.9 Light distribution curve

圖10 照度分布仿真結果圖Fig.10 Illumination profile

3 結 論

通過對現有礦燈光學系統的分析，提出一種新型折反射器，利用光學仿真軟件進行模擬分析。結果表明系統的出射角小于10°，出射光線較為平行，光斑大小適中，光照度較為均勻，中心照度值達到國家標準要求，可作為新型LED礦燈的配光系統。同時，本光學系統結構緊湊，能夠有效節約生產成本。

[1]公文禮.LED光源在礦用防爆燈具中應用[J].電氣防爆，2010(2)：9－14.

[2]田大壘，關榮鋒，王杏.新型LED礦燈的設計與仿真[J].煤礦機電，2007(6)：46－49.

[3]徐云路，談衛，劉陳.新型礦燈二次配光系統的仿真研究[J].光學技術，2010(4)：589－595.

[4]錢可元，羅毅.新型半導體礦燈光源系統的研究[J].煤礦機電，2007(1)：14－16.

[5]蔣金波，杜雪，李榮彬.LED路燈透鏡的二次光學設計介紹[J].照明工程學報，2008(4)：59－65.

[6]張云翠，鄒念育，曹冠英，等.半導體照明產品檢測研究[J].信息技術與標準化，2009(10)：62－64.

[7]張云翠，劉龍，楊軼，等.數字微反射鏡的RGB三色LED照明系統研究[J].照明工程學報，2010，21(3)：56－59.