新型LED均匀布光微结构设计和仿真

随着LED工艺技术发展、生产规模扩大、价格成本降低、发光效能提高，同时相对白炽灯、荧光灯等传统光源而言，LED具有独特的优点，如节能环保、牢固可靠性等，成为新一代的绿色照明光源，在市场上逐步替代传统光源，广泛地应用在普通照明、广告显示、建筑景观、植物照明、可见光通信、汽车照明、交通信号、背光源等。然而，由于LED照明灯具需要根据布光要求将LED发出的光分配到期望的区域，因此需要大量的基于照明技术的光学设计方法和计算模拟，如LED光源制备的汽车灯具，路灯灯具以及教室照明灯具以及台灯都需要针对布光要进行灯具设计。因此，为了满足各种布光要求，需要制作不同曲率的空间曲面满足布光要求，给灯罩加工带来相当大的工作量；另一方面，灯具的反光杯通常采用铝板上面电镀金属作为反光罩，重量较轻，但是大量的使用这样的含有丰富金属材质的灯具也使得灯具的重量不容忽视。为了节省金属材料的使用量，减轻个性化加工开模的工作量，针对亚克力材料的纳微布光设计成为一个崭露头角的研究方向。基于有机材料的加工优势和材料来源优势，在有机材料上进行不同结构的微结构设计，可以得到宏观上不同曲率曲面光分布的设计思路，结合微结构热塑或者微米压印技术有可能实现一张有机玻璃板实验多个单独设计的复杂曲面布光的设想。本文就是基于上述想法开展的一个光学设计和仿真。

【关键词】LED 灯具 设计仿真

1 PET薄片结构

市场调研结果显示，BrightView公司出产可以实现椭圆形和圆形布光聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜片，C-HE55-PE07-S-M型号产品指标显示光传输效率高达98%。经过结构分析，可以获得基本的结构参数，其二维基本结构为三角格子（如图1）。

图1a显示薄膜的二维平面结构，为非整齐的三角格子的结构，即平面有具有无限多正三角形拼合而成，每个三角形由三个圆形空洞组成。图1b为侧面视图，可以看到加工之后仍然有残留物质，这部分残留在总体传输结果上影响较小。

因此，本文在此基础上构建了自己的设计模型，采用VirtualLab仿真软件进行二维微结构传输和布光仿真。

2 新型LED均匀布光微结构设计和仿真

仿真采用柱形二维光栅结构，光栅厚度为10μm，薄片厚度为0.1mm，周期单元大小为19μm×19μm，材料采用亚克力材料，光栅填充为空气介质。照明光源采用近似平面波入射，在5mm之后安放探测虚拟屏幕，接收经过薄片传输的光的振幅，光强以及相位信息。由于是虚拟屏幕，因此可以获得计算的上述三类信息，但是与实验直接相关的探测是以能量为基本单位的光强，经过换算可以与照度相关。

图2是设计的柱形光栅结构透光和经过5mm传输后的虚拟屏幕上的光强分布，为了方便近距离装饰照明的需求，虚拟屏幕的几何尺寸与薄片的大小一致。这样可以看出光传输的显著效果。另外，由于virtualLab软件从麦克斯韦方程出发，计算量比较大，探测区域和样品区域微元增加会导致计算量成指数增长，因此本文采用3×3基本单元进行模拟，另一方面，由于三角格子在计算的时候，需要的单元也相对较多，本文从正方格子出发进行模拟，旨在定性研究微结构在LED布光中的原理性应用价值。从输出的光强分部来看，光强的分部得到良好改善，均匀度得明显提高。

为了跟进一步研究光振幅在虚拟屏幕上的分部，我们获取了虚拟屏幕上的相位信息，如图3所示，我们可以清晰看到，在光栅平面上，相位是收到些许调控的，但是到了5mm后的虚拟屏幕上，相位分部已经非常有规律，而且被调制的程度也显得更加明显，因此，可以非常确定，在虚拟屏幕上是的分部是柱形光栅衍射后的光再次叠加。这是微结构光学布光原理与基于光线传播的几何光学不同之处。

随着微加工技术的迅速发展和新型有机材料合成技术的日益完善，上述微结构设计的加工已经不是难题，工艺问题可能存在一定的挑战，如热塑的形变和冷却后的缩合，会导致结构参数的一定变化；另外在相位调控的技术上可能还需要进一步提高，在相干程度调控上可以更加完善出光效果。另一方面，结合激光加工技术，可以设计和制作一定特征结构的模板，经过二次压印实现有机材料薄片的制备，有望在艺术照明，景观照明等高端照明领域获得突破性应用。

（指导老师：张莉萍）

参考文献

[1]黄欢，韩学林，章道波.LED在教室照明中的应用[M].照明工程学报，2011（06）：69-73.

[2]任元会.照明设计新技术发展与应用[J].建筑电气，2012（07）：3-10.

[3]王淦鹏，范劲松.基于光学仿真分析的新光源产品创新设计研究[M].佛山科学技术学院学报（自然科学版），2017（03）：75-79.

[4]董辉，宋捷翘，于娟.植物景观照明设计中LED应用初探[J].灯与照明，2014（02）：47-49+54.

[5]孔荀，居家奇.LED照明時代下光艺术的发展与照明设计图形化初探[M].照明工程学报，2016（04）：172-176.

作者简介

孙铭辰（2000-），男，广东省广州市人。高三在读学生。研究方向为应用物理。

张莉萍（1980-），女，学士学位。中学物理一级教师，研究方向为物理学教育。

作者单位

广州市真光中学 广东省广州市 510380