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        無縫微透鏡陣列LED勻光膜研究

        來源:浙江省照明學會 發布時間:2016-04-05瀏覽:420
        本文研究不同孔徑無縫微透鏡陣列膜LED光線擴散的影響,分析了不同厚度和直徑的三角形、四邊形和六邊形微透鏡陣列膜的擴散效果。設計了一種復合曲面微透鏡陣列,利用光線追跡方法對其進行模擬,分析微透鏡陣列對LED光源發出光線擴散性能的影響。
        褚才良1,朱伯明1,陳海軍1,陳亮2,李曉艷2,楊凱2
        1.寧波燎原燈具股份有限公司,浙江寧波,315408
        2.中國計量學院,浙江 杭州 310000

        摘要:本文研究不同孔徑無縫微透鏡陣列膜LED光線擴散的影響,分析了不同厚度和直徑的三角形、四邊形和六邊形微透鏡陣列膜的擴散效果。設計了一種復合曲面微透鏡陣列,利用光線追跡方法對其進行模擬,分析微透鏡陣列對LED光源發出光線擴散性能的影響。

        關鍵詞:LED;微透鏡陣列;復合曲面;均勻度

        CHU Cailiang1, ZHU Boming1, CHEN Haijun1, CHEN Liang2, LI Xiaoyan2, YANG Kai2
        1. Liaoyuan Co., Ltd, Ningbo 315408, China;2.China Jiliang University, Hangzhou 310018,China)

        Abstract:This paper uses basic principles of geometrical optics to analyze the gapless microlens array used in LED. Gapless triangular, tetragon, hexagonal and dual-curvature microlens array are studied in the paper. A new composite curved surface microlens array is designed and simulated in order to examine their light luminance and uniformity.  

        Keywords:LED;microlens array;composite curved surface;uniformity  

        1 引言

        大功率LED應用于照明領域的需要將多個芯片集成形成以滿足總光通量的需求,但是目前的多芯片集成的功率LED燈具存在一些明顯的缺陷:散熱不良導致LED發光效率低,同時影響LED的發光強度和使用壽命;多芯片集成后,各個芯片之間村子間隙,在一定距離內就產生光斑,形成不均勻照明;照明領域的LED都是采用高亮度白光LED,光源指向性高,容易產生眩光。傳統的解決眩光和照明不均勻的方法是使用傳統擴散膜、擴散板或者對燈具進行磨砂,霧化處理,會帶來光效率變差或者眩光消除不佳等問題。隨著現如今LED光源在各個領域的廣泛應用,因此找到一種更有效的方案解決上述問題對LED在照明領域未來的發展顯得尤為重要。

        微透鏡陣列是最重要的微光學元件中的一種,具有多種獨特的光學性質。通過調整微透鏡的形狀、曲率半徑、排布、厚度等參數,微透鏡陣列擴散片可對入射光線進行整形、均勻、擴散、聚焦等調制來實現特定的功能。

        2 微透鏡陣列分類

        微透鏡陣列型擴散片根據其微透鏡的面形、尺寸、占空比和厚度等的不同,可以建立不同的微透鏡陣列的模型。微透鏡的填充因子和形狀是影響光束效率的一個重要的因素。為了得到最多的光的能量,微透鏡陣列中透鏡所占區域即占空比,應該盡可能的大。無縫隙微透鏡陣列占空比接近100%,可以實現較高的傳輸效率。根據微透鏡的孔徑形狀的不同,無縫隙微透鏡陣列可以三角形微透鏡、六邊形微透鏡、四邊形微透鏡和雙曲率形微透鏡等。

        無縫微透鏡陣列分析
        3.1 厚度對不同孔徑形狀微透鏡陣列影響

        以單個微透鏡曲率的厚度分別為10μm和20μm,孔徑分別為60μm、90μm、120μm,在仿真軟件中分別建立三角形微透鏡、六邊形微透鏡、四邊形微透鏡模型,分析其對光效以及擴散角度的影響。

        表一 三角形微透鏡陣列
        厚度 10μm 20μm
        直徑 60μm 90μm 120μm 60μm 90μm 120μm
        效率 95.5% 94.5% 94.4% 94.5% 93.9% 93.8%
        擴散角度 140° 130° 122 128° 118° 115°
         表二 四邊形微透鏡陣列
        厚度 10μm 20μm
        直徑 60μm 90μm 120μm 60μm 90μm 120μm
        光通效率 94.8% 94.7% 94.6% 94.2% 94.6% 95%
        擴散角度 130° 115° 112° 100° 110° 108°
         表三 六邊形微透鏡陣列
        厚度 10μm 20μm
        直徑 60μm 90μm 120μm 60μm 90μm 120μm
        光通效率 94.7% 94.8% 94.8% 94% 94.7% 94.7%
        擴散角度 106° 115° 132° 95° 105° 110°

        圖1 不同形狀微透鏡陣列的光學性能
         
        可以得到不同的微透鏡形狀對擴散角度有不同的影響,如圖1所示。通過對比分析,四邊形孔徑微透鏡陣列光利用率最高,而三角孔徑微透鏡陣列的擴散角度最大,擴散效果最好。

        3.2 一種復合曲面微透鏡陣列膜設計

        通過分析,可以發現三種孔徑形狀的微透鏡陣列膜對LED發出的光線都有一定的擴散作用,但是擴散角度最大只能到130度,遠遠不能滿足多芯片LED對消除眩光和勻光的要求。本論文提出一種新型結構的微透鏡陣列膜,該微透鏡為四邊形孔徑,微透鏡單元為復合曲面透鏡,其結構如圖2所示,復合曲面由非球面s1和錐面s2配合構成。

        在Tracepro軟件中建立該微透鏡陣列的三維模型,如圖3所示,與多芯片LED光源一起進行光線追跡,其組合系統的發光強度曲線如圖4所示,在發光強度曲線上可以看出,光束在-70度到+70度范圍內發光強度比較均勻,說明光束擴散角度在140度范圍內。

        圖2 復合曲面微透鏡單元結構示意圖
        圖3復合曲面微透鏡三維示意圖
        圖4 加上微透鏡陣列膜的LED光源發光強度曲線
         
        結論

        本文研究了微透鏡陣列型擴散片對光線的擴散作用,通過對不同類型的微透鏡陣列所形成的膜進行對比,得出擴散效果好的微透鏡陣列的類型。設計了一種復合曲面微透鏡陣列結構,在Tracepro中建立物理模型,利用光線追跡得方法對其性質進行模擬,進而分析微透鏡陣列對LED光源發出光線擴散性能的影響。
         
        參考文獻
        [1] CT Pan etc. Fabrication of gapless dual-curvature microlens as a diffuser for a LED package[J]. Sensors and Actuators, 2009,156-167
        [2] 田大壘,關榮鋒,王杏,趙文卿等.基于微透鏡陣列的LED光學性能[J].發光學報,2009,30(1):69-72
        [3] 莊孝磊,周芳,申溯,陳林森等.層疊微透鏡陣列光擴散片特性研究[J].光學學報,2010,30(11):3306-3309
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        [5] D. J. S chert ler, N.George. Uniform scattering patterns from grating diffuser cascades for display applications [J].Appl. Opt., 1999, 38(2):291-303

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