單芯大功率LED勻光照明陣列的設(shè)計(jì)

1、單芯大功率 LED 勻光照明陣列的設(shè)計(jì)摘要： 為構(gòu)造大功率 LED 激發(fā) Cy3/Cy5 熒光染料的 均勻面照明系統(tǒng)， 選擇單芯大功率 LED 芯片 PT54TE 設(shè)計(jì)了 紅綠雙通道勻光照明陣列。首先通過(guò)分析單芯大功率 LED 芯片 PT54TE 輻射強(qiáng)度的分布， 建立大功率 LED 環(huán)形照明陣 列的模型； 然后為提高光線利用率， 在 LED 外側(cè)建立柱面鏡 反射結(jié)構(gòu)，并通過(guò)斯派羅法則求解該結(jié)構(gòu)的參數(shù)；最后由 Tracepro仿真驗(yàn)證。研究表明，分別由 4顆紅/綠 PT54TE 構(gòu) 成的環(huán)形陣列在目標(biāo)平面( 30 mm×30 mm)內(nèi)的光照均勻 度大于 95.4%，光通量大于 700

2、 lm ，比未配置柱面鏡反射結(jié) 構(gòu)的環(huán)形陣列的光通量至少提高了52.5%。關(guān)鍵詞： 勻光照明； 大功率 LED ； PT54TE ； Cy3/Cy5 ； 熒光檢測(cè)中圖分類號(hào)： TH 776 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi ： Abstract ： The singlecore highpower LED chip of PT54TE was chosen to design the red and the green illumination array for a uniform illumination system which excited the fluorescent dye of Cy3

3、/Cy5. Firstly ， by analyzing the distribution of the intensity radiation of a singlecore highpower LED chip ofPT54TE ， an illumination model of highpower LED for the ringshaped arrangement was established. Then， in order to improve the utilization rate of the light ， a cylindrical mirror reflection

4、structure was built on the outside of the LED ， and the parameters of the structure were solved by the laws of Spyro. Finally ， the simulation results of Tracepro show that the illumination uniformity of the target plane ( 30mm by 30mm ) was more than 95.4%， and the flux was greater than 700 lumens，

5、 which increased at least 52.5% compared with the ringshaped arrangement without the cylindrical mirror reflection structure.Keywords ： uniform illumination ； high power LED ； PT54TE ； Cy3/Cy5 ； fluorescent detection引言基于 CCD 圖像處理的熒光定量檢測(cè)系統(tǒng)，需要均勻的 面照明并配合冷卻型 CCD 積分采集所激發(fā)產(chǎn)生的熒光光子。 由于熒光標(biāo)記物一般需要較強(qiáng)的激發(fā)光源和較高的均勻度

6、， 商業(yè)化的檢測(cè)儀常以激光二極管對(duì) X/Y 方向進(jìn)行均勻掃描 或使用高壓汞燈、氙燈進(jìn)行聚光照明。由于激光二極管功率 較小和具有典型的高斯分布，為提高功率密度和消除高斯分 布影響， X/Y 掃描時(shí)激光束聚焦達(dá)到微米級(jí)別，造成掃描速 度緩慢。而高壓汞燈和氙燈均為高壓氣體燈，工作啟停時(shí)間 長(zhǎng)，發(fā)熱量大，壽命短。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，目前 LED 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高效率的大功率發(fā)射，如美國(guó) Luminus Devices 公 司的單芯 LED 芯片 PT54TE ，其發(fā)光面積 5.4 mm2 ，紅/綠單 色可產(chǎn)生高達(dá) 4.1 W 的光輻射輸出，光通量超過(guò) 1 000 lm， 這使得大功率 LED 的光照設(shè)計(jì)大

7、為簡(jiǎn)單 1 。LED 芯片具有 許多的優(yōu)點(diǎn)，光輸出穩(wěn)定度高、壽命長(zhǎng)、光強(qiáng)可精確控制， 單色大功率 LED 和高壓汞燈、 氙燈相比， 有效的光譜能量更 集中，是產(chǎn)生大功率單色光的最佳器件，可以代替常用的高 壓汞燈或氙燈 2 。雖然單顆大功率 LED 的能量密度大幅提升， 但單個(gè) LED 的功率依然不能滿足大面積、高亮度的照明要求。因 LED 是非相干光源，多個(gè) LED 的照明作用可以等效為其單個(gè)照明 的線性疊加?？紤]到目標(biāo)平面要求光照度均勻分布，最有效 的方法是使用 LED 陣列，采用優(yōu)化排布方式和投射距離， 以 實(shí)現(xiàn)激發(fā)光的照明強(qiáng)度和均勻度的要求 3 。采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的大功率 LED 陣列代替高

8、壓汞燈或氙燈 作為熒光激發(fā)光源，再由冷卻型 CCD 相機(jī)積分采集所產(chǎn)生 的熒光光子，其檢測(cè)速度較快，高精度運(yùn)動(dòng)部件少，成本也 較低 4。1 原理2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析照明陣列使用 8 顆大功率單芯 LED 芯片 PT54TE ，紅綠各使用 4顆，其中每顆紅色 PT54TER 光輻射 4.1 W，綠色PT54TEG 光輻射 4.5 W 。由于 PT54TE 紅綠 LED 的半光強(qiáng)角 1/2 均約 60°，其光輻射模式 m 的取值基本一致。首先將 4顆紅色 LED 芯片PT54TEG采用間隔 90°布置， 分布在 45°、135°、225°和 315&

9、#176;的位置；將 4 顆綠色大 功率 LED 芯片 PT54TEG 布置相對(duì)于紅色 LED 的位置錯(cuò)開 45°，分布在 0°、 90°、 180°和 270°的位置，其分布如 圖 3 所示。環(huán)形陣列勻光照明設(shè)計(jì)設(shè)定?D3 中的 4顆紅色 PT54TER 的分布半徑為 1=30 mm，因 N=4 ，m=1，由 MATLAB 求解式（ 8）可得 z=36.74 mm 。 由于目標(biāo)平面和 LED 的安裝位置相互固定， PT54TEG 綠色 LED 的投射高度 z 和 PT54TER 的取值一致， 由式（ 8）可知 LED 環(huán)形陣列在滿足斯派羅法則

10、的情況下， 陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)與 LED 的光強(qiáng) I0 無(wú)關(guān)。求解式（ 8）可得 PT54TEG 的分布半徑 1=30 mm ，與紅色 LED 芯片 PT54TER 的分布半徑 1 一致。上述設(shè)計(jì)的 PT54TE 大功率 LED 的環(huán)型陣列， 對(duì)紅綠通 道分別使用 Tracepro 軟件進(jìn)行仿真。由于 PT54TE 仍是一個(gè)面光源，根據(jù) PT54TE 規(guī)格書的 參數(shù)，由面光源特性生成器工具，分別構(gòu)建 PT54TER 紅色LED 和 PT54TEG 綠色 LED 的面光源模型， 并在 Tracepro 內(nèi) 按圖 3 所示的陣列結(jié)構(gòu)和半徑 1 環(huán)型排布 LED 。當(dāng) PT54TER 紅色大功率 LED

11、在光輻射輸出 4.1 W、N=4 、 1=30 mm和 z=36.74 mm 時(shí)，追跡 2×106條光線，其照明分布如 圖 4 所示。均勻度檢測(cè)使用五點(diǎn)測(cè)量法，將目標(biāo)面內(nèi)的最小照度值 除以最大照度值就可以得到目標(biāo)面的照度均勻度 13 。紅色 通道 LED 陣列的均勻照明區(qū)域在坐標(biāo)的中心位置 -15 mm 至 +15 mm，歸一化的最小照度為 0.925，最大照度為 0.970，照 明均勻度大于 95.3%，平均光通量大于 459 lm。當(dāng) PT54TEG 綠色大功率 LED 在光輻射輸出 4.5 W 、N=4 、 1=30 mm 和 z=36.74 mm 時(shí)，追跡 2×10

12、6 條光線，其照明 分布如圖 5 所示。綠色通道的均勻照明區(qū)域在坐標(biāo)的中心位置-15 mm 至+15 mm，歸一化的最小照度為 0.935，最大照度為 0.980，照 明均勻度大于 95.4%，平均光通量大于 727 lm。2.2配置內(nèi)反射柱面鏡的 PT54TE 環(huán)形陣列勻光照明設(shè) 計(jì)為了更有效地提高 LED 光線的利用率， 在上述環(huán)形陣列 的 LED 芯片外側(cè)， 采用 8 片全反射矩形鏡片， 組成一個(gè)八邊 形柱面，柱面內(nèi)壁鏡片有全反射膜。假定鏡面反射率 100% 并忽略二次反射的影響，相當(dāng)于在鏡像位置擴(kuò)展出一個(gè)相應(yīng) 的 LED ，且半徑 2= 1+2t，其分布的環(huán)形陣列及鏡像結(jié)構(gòu)如圖 6 所

13、示，單顆 LED 及鏡像效果的等效光路如圖 7 所示。設(shè)定窄帶濾光片半徑為 5 mm，則 LED 距離反射鏡內(nèi)壁 的最小距離 t=5 mm ；設(shè)紅綠共 8顆 PT54TE 的分布半徑均 為 30 mm，即圓環(huán)半徑 1=30 mm ，則鏡像 LED 的分布半 徑2=1+2t=40 mm，由 MATLAB 求解式（ 9）可得 z=40.81 mm 。Cy3/Cy5 生物芯片在檢測(cè)臺(tái) x y平面上所需要的矩形 均勻光斑的尺寸為 30 mm×30 mm，其外切圓的直徑 d=42.2 mm。在圖 6 和圖 7 所示的結(jié)構(gòu)中，所配備的具有內(nèi)反射功 能的八邊形柱面內(nèi)壁的每片矩形鏡片高z=40.81

14、 mm ，寬 a=2（1+t）tan22.5°=29.0 mm 。設(shè)鏡像 LED 經(jīng)過(guò)該柱面 鏡片投射到 x y平面時(shí)的實(shí)際光斑寬度為 B1B2 ，則由相 似三角形 A3K2K3 和 A3K1K4 、相似三角形 A3A1A2 和 A3B1B2 的邊比關(guān)系可得：求解式（10）有 B1B2=a（2-21.1 mm ）/ t=109.6 mm> 42.2 mm，所以鏡像 LED 經(jīng)過(guò)柱面鏡片等效投射到目標(biāo)平 面 30 mm× 30 mm 面積內(nèi)的光線，沒有缺失。針對(duì)設(shè)計(jì)的 PT54TE 大功率 LED 等效的雙環(huán)型陣列， 使用 Tracepro 軟件 分別對(duì)其紅綠通道進(jìn)行仿

15、真。當(dāng) PT54TER 紅色大功率 LED 在光輻射輸出 4.1 W 、N=4 、 1=30 mm 、 2=40 mm 和 z=40.81 mm 時(shí)，追跡 4×106 條光線，其照明分布如圖 8 所示紅色通道的均勻照明區(qū)域在坐標(biāo)的中心位置 -15 mm 至 +15 mm，歸一化的最小照度為 0.930，最大照度為 0.970，照 明均勻度大于 95.8%，平均光通量大于 700 lm。當(dāng) PT54TEG 綠色大功率 LED 在光輻射輸出 4.5 W 、N=4 、 1=30 mm 、 2=40 mm 和 z=40.81 mm 時(shí)，追跡 4×106 條 光線，其照明分布如圖 9

16、 所示。綠色通道的均勻照明區(qū)域在坐標(biāo)的中心位置 -15 mm 至 +15 mm，歸一化的最小照度為 0.945，最大照度為 0.990，照 明均勻度大于 95.4%，平均光通量大于 1 114 lm。3 結(jié)論設(shè)計(jì)了由 4顆紅色 PT54TER 和 4顆綠色 PT54TEG 單芯 大功率 LED 并配置八邊形內(nèi)反射鏡片所組成的雙通道照明 陣列，使用 Tracepro追跡 4×106 條光線，仿真表明在目標(biāo) 平面( 30 mm×30 mm)內(nèi)的照明強(qiáng)度和均勻度均較高，其 超過(guò) 700 lm 的光通量和 95.4%的均勻度， 相比于未配置反射 鏡片的環(huán)形陣列， 照明均勻度略優(yōu)但光

17、通量至少提高 52.5% ， 同時(shí)該陣列沒有復(fù)雜的光學(xué)鏡片系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸向尺寸 緊湊，具有一定的優(yōu)越性。參考文獻(xiàn)：1 魏?，賈宏志 .超高亮度 LED 微型投影儀照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 光學(xué)儀器， 2011，33(3)：6266.2 陳延平，熊濤，余靂，等 .基于功率型 LED 的在體整 體熒光光學(xué)成像 J.光電子 ?激光， 2006，17（ 12）：15291533.3 陳新睿，韓敬華，李洪儒，等 .基于近場(chǎng)均勻照明的LED 陣列的優(yōu)化設(shè)計(jì) J. 應(yīng)用光學(xué)， 2014，35（1）：122127.4 王立強(qiáng)，陸祖康，林斌 .生物芯片及其熒光信號(hào)檢測(cè) J. 光學(xué)儀器， 2002，24（4/5）： 713.5 許楊，阮瓊芳，李燕萍 .表達(dá)基因分析方法 J. 食品與 生物技術(shù)報(bào)， 2008， 27（1）： 122126.6 王立強(qiáng) .雙激光共聚焦生物芯片熒光分析儀的研究與 開發(fā)D. 杭州：浙江大學(xué)， 2004：2567.7 Luminus Devices Inc.PT54TE Product Datasheet With PDS002026 Rev 06EB/OL.20151202. http ： .8 肖韶榮，楊麗，吳群勇，等 .紫外 LED 圓環(huán)陣列均勻 照明的實(shí)現(xiàn)方法 J. 應(yīng)用光學(xué)， 2013，34（5）：742747.9 王加文，蘇宙平，袁志軍，等 .LED 陣列模組化中的