LED綠色照明及其非成像光學(xué)設(shè)計(jì)

朱焯煒 蘇宙平 陳國(guó)慶

(江南大學(xué)理學(xué)院 江蘇 無(wú)錫 214122)

非成像光學(xué)理論起源于20世紀(jì)60年代中期.最初非成像光學(xué)主要用于需要設(shè)計(jì)高效率能量收集器的領(lǐng)域.隨著社會(huì)的發(fā)展，生產(chǎn)力的提高以及資源消耗的日益加劇，傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)需要一個(gè)更為節(jié)能高效的設(shè)計(jì)[1].由于非成像光學(xué)在設(shè)計(jì)時(shí)徹底打破了光源的成像過程，相比傳統(tǒng)的成像光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)于由光源成像造成的照明光斑照度不均勻現(xiàn)象，非成像光學(xué)應(yīng)用于照明系統(tǒng)能改善其照明效果.利用非成像光學(xué)控制光輻射的傳輸，主要可以解決兩大類問題:一是光能的收集問題，其關(guān)注焦點(diǎn)在于光能的收集效率；二是光能的分配問題，其關(guān)注焦點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)預(yù)先給定的光場(chǎng)分布.本文所討論的以LED為光源的均勻照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要屬于第二類問題.

1 LED照明的優(yōu)點(diǎn)和缺陷

發(fā)光二極管(LED)作為一種綠色光源，具有許多優(yōu)點(diǎn),例如電光效率高、壽命長(zhǎng)、體積小等.所以，最近幾年LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用有很大的發(fā)展，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各種照明領(lǐng)域，如路燈、車燈、投影儀及顯示器中的背光源等.超高亮度LED可以做成剎車燈、尾燈和方向燈，也可用于儀表照明和車內(nèi)照明；它在耐震動(dòng)、省電、長(zhǎng)壽命方面比白熾燈具有明顯的優(yōu)勢(shì).很明顯，只要LED燈的成本隨著LED技術(shù)的不斷提高而降低，節(jié)能燈和白熾燈必然被LED燈泡取代，如路燈照明、投影儀、室內(nèi)照明等.但是LED芯片本身是一個(gè)近似的朗伯光源，光強(qiáng)隨著發(fā)光角呈現(xiàn)余弦分布，即LED芯片的光分布是以垂直于LED發(fā)光面的軸線方向?yàn)榱愕挠嘞曳植?光強(qiáng)分布表達(dá)式為

I(φ)=I0cosφ

式中I0為L(zhǎng)ED沿軸線方向的光強(qiáng)，φ為出光方向與軸線之間的夾角.這種光源很難滿足各種照明要求[2].如果不經(jīng)過合適的光學(xué)系統(tǒng)處理而直接應(yīng)用，在大多數(shù)情況下都難以滿足照明燈具和器件所需要達(dá)到的性能指標(biāo)，同時(shí)還會(huì)因?yàn)榇罅繜o(wú)效光的存在而大大地降低系統(tǒng)的效率.因此需要根據(jù)特殊的照明要求設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)LED發(fā)出的光進(jìn)行整形，改變其光強(qiáng)分布.

2 基于非成像理論的自由曲面光學(xué)器件

20世紀(jì)60年代中期，系統(tǒng)的非成像光學(xué)理論被提出；幾乎同一時(shí)期出現(xiàn)了基于非成像光學(xué)理論的自由曲面的設(shè)計(jì)思想.1974年 Schruben 提出實(shí)現(xiàn)均勻圓形照明的自由曲面反光器.2002年 Harald Ries 提出可投射出OEC字樣的自由曲面透鏡[3].與可以用數(shù)學(xué)公式表示的解析曲面不同，自由曲面無(wú)法用解析式表達(dá).自由曲面光學(xué)器件的設(shè)計(jì)基于非成像理論，不僅可自由分配光強(qiáng)，也可控制光線角度、光程差等物理量，令光源的出射光重新分布，在照明面上形成特定的光斑，可滿足一系列照明要求，同時(shí)極大地提高了能量利用率.因此，自由曲面設(shè)計(jì)理論可以廣泛應(yīng)用于各種設(shè)計(jì)中，特別是現(xiàn)代顯示照明領(lǐng)域.可以根據(jù)折射定律和反射定律的矢量形式來(lái)構(gòu)建關(guān)于自由曲面的偏微分方程，從而求解自由曲面的面型.除了解方程來(lái)設(shè)計(jì)自由曲面光學(xué)器件之外，還可通過試錯(cuò)法反復(fù)修改曲面參數(shù)獲取所需照明[4,5]，或者直接用NURBS曲面表示曲面面型，然后通過修改NURBS參數(shù)設(shè)計(jì)反射鏡面型.

3 LED準(zhǔn)直光源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LED應(yīng)用于投射照明系統(tǒng)時(shí)，光源需要有高效、準(zhǔn)直的遠(yuǎn)場(chǎng)分布，例如，汽車前大燈、手電筒等.以LED手電筒為例，在遠(yuǎn)距離照明時(shí)對(duì)手電的出射角要求比較高;而LED本身發(fā)光角比較大.為了提高LED手電的遠(yuǎn)射性能、減少光散射、令聚焦更準(zhǔn)確、使光束平行射出、減少硬光下的光斑現(xiàn)象使得光線更加柔和，廠家除了不斷改進(jìn)LED封裝外，也在嘗試通過自由曲面改善出光效果.設(shè)計(jì)可以采用反光杯和自由曲面菲涅耳透鏡組合的方法，小角度的光線采用菲涅耳透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，大角度的光線采用自由曲面反光杯準(zhǔn)直，最終獲得滿足要求的準(zhǔn)直照明.菲涅耳透鏡從外觀上來(lái)說(shuō)是普通凸透鏡的一種簡(jiǎn)化，但它體積小、重量輕、成本低.自由曲面反光杯易于加工、材料便宜、采用全反射的傳輸方式，傳輸效率更高.將兩者完美結(jié)合可以保證傳輸效率和光強(qiáng)分布的準(zhǔn)確性，實(shí)用價(jià)值更高.

4 均勻照度光學(xué)設(shè)計(jì)

從保護(hù)人眼和提高照明效果出發(fā)，很多場(chǎng)合都需要利用燈具均勻照明，即在一個(gè)給定的位置和一個(gè)給定的區(qū)域內(nèi)，形成一個(gè)照度均勻的光斑，照射到這個(gè)區(qū)域之外的光被視為無(wú)效光，例如，體育場(chǎng)館的室內(nèi)照明，馬路上路燈的照明等.若使用傳統(tǒng)的燈具，會(huì)造成光源出射角過大，無(wú)法全部利用LED出射光，能量損失嚴(yán)重等問題.如果配合自由曲面光學(xué)器件，則能克服其發(fā)光角大的缺點(diǎn)，在提高能量利用率的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)所需照明，同時(shí)燈具結(jié)構(gòu)緊湊，更能體現(xiàn)LED體積小的優(yōu)點(diǎn)[6].

關(guān)于均勻照明的自由曲面的設(shè)計(jì)有多種方法.運(yùn)用這些技術(shù)，國(guó)內(nèi)外有幾個(gè)課題組，設(shè)計(jì)了自由曲面透鏡，實(shí)現(xiàn)LED光源在照明面上的預(yù)定照度分布.文獻(xiàn)[3]基于微分方程方法設(shè)計(jì)了一個(gè)折射型的自由曲面透鏡，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)LED在照明目標(biāo)面上照度均勻化.文獻(xiàn)[7]以及韓國(guó)Yonsei大學(xué)一些人,使用了不連續(xù)自由曲面設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了一個(gè)自由曲面LED透鏡，實(shí)現(xiàn)了在目標(biāo)面上形成了一個(gè)矩形狀的預(yù)定的照明分布.文獻(xiàn)[8]利用劃分網(wǎng)格法設(shè)計(jì)的路燈照明光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在馬路表面特殊的照度分布要求.

5 小結(jié)

目前，LED行業(yè)在國(guó)內(nèi)發(fā)展非常迅速，但主要是集中在LED芯片制造和封裝工藝.即使有一些照明產(chǎn)品，大多數(shù)是裝飾用的燈具，很難適應(yīng)場(chǎng)館高標(biāo)準(zhǔn)的照明環(huán)境(高亮度、高均勻度).因此高端照明產(chǎn)品需要合適的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行二次配光.國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域還處于起步階段，很少有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成果.對(duì)LED二次光學(xué)設(shè)計(jì)的研究將會(huì)加速LED高端照明產(chǎn)品的發(fā)展.另外，在光學(xué)設(shè)計(jì)中需要注意的是傳統(tǒng)認(rèn)為L(zhǎng)ED是點(diǎn)光源，但是實(shí)際上LED有一定的面積，是一種面光源.此外通常將LED看成完美的朗伯光源，但實(shí)際上LED的配光曲線和芯片的尺寸、位置、光學(xué)材料的折射與吸收系數(shù)等30多個(gè)參數(shù)有關(guān)，在進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)前需要建立一個(gè)合理、精確的LED光學(xué)模型.

參考文獻(xiàn)

1 薛國(guó)良．非成像光學(xué)及其應(yīng)用．物理通報(bào)，1995(4)：1～2

2 羅毅,張賢鵬,等.半導(dǎo)體照明中的非成像光學(xué)及其應(yīng)用.中國(guó)激光,2008(7):963～968

3 丁毅，鄭臻榮,顧培夫.實(shí)現(xiàn)LED照明的自由曲面透鏡設(shè)計(jì).光子學(xué)報(bào)，2009(6):1 486～1 489

4 Steven Doyle，David Corcoran，Jon Connell．Automated mirror design for all extended light source．Proc．SPIE，1999，3 781：94～102

5 John Bortz．Optimal design of a nonimaging projection lens for use with all LED source and a rectangular target.Proc．SPIE，2000，4 092：130～138

6 丁毅.自由曲面光學(xué)器件的設(shè)計(jì)及其在照明系統(tǒng)中的應(yīng)用(博士論文集).浙江大學(xué),2009:13

7 Wang K Liu S, Chen F, Qin Z, Liu Z Y, Luo X B . Freeform LED lens for rectangularly prescribed illumination. Opt. A: Pure Appl, 2009(11):5 501

8 Zexin.Feng，Yi.Luo，Yanjun.Han. Design of LED freeform optical system for road lighting with high luminance/illuminance ratio.Opt. Express,2010(21): 22 020～22 031