基于非成像光學(xué)的LED三維照明系統(tǒng)的應(yīng)用分析

聶蓉

摘要： 本文從目前主流照明光源大功率LED出發(fā)，介紹了非成像三維光學(xué)理論，詳細(xì)分析了光分配，討論了光分配應(yīng)用到LED照明光學(xué)系統(tǒng)的可行性。結(jié)合LED前照燈設(shè)計方法，研究基于非成像的LED三維照明。最后通過一個系統(tǒng)設(shè)計實例討論了非成像光學(xué)在LED三維照明系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： LED；非成像光學(xué)；三維照明

中圖分類號：TD625 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）04-0029-02

0 引言

LED具有節(jié)能、環(huán)保、高效、壽命長及耐惡劣環(huán)境等優(yōu)勢，即將成為新一代照明光源。在電子信息產(chǎn)業(yè)的帶動下，LED市場近幾年一直保持著穩(wěn)步增長的發(fā)展態(tài)勢，包括背光源、信息顯示、交通信號燈、汽車用燈以及半導(dǎo)體照明等。目前市場份額幾十億甚至有的上千億，其中半導(dǎo)體照明應(yīng)用最為廣泛、潛在市場最大，根據(jù)其范圍可以分為以下幾類：室外景觀照明、室內(nèi)裝飾照明、專用照明、安全照明、特種照明、普通照明等。

傳統(tǒng)的成像光學(xué)設(shè)計更注重成像過程中圖像信息的保存，對光源能量的分布則放在次要的位置。LED光源體積小，其光強分布隨出射角的增大而迅速衰減，可以近似視為郎伯光源，要達(dá)到給定區(qū)域內(nèi)的光照效果，必然中心部位光照過強，這樣就造成不必要的光損耗，而且還不利于人眼健康。在高效節(jié)能的今天，這樣的光源很難滿足現(xiàn)今人們對照明的要求，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場合來調(diào)整LED的輸出光強，這樣的光學(xué)設(shè)計屬于非成像光學(xué)范圍。

不同維度的空間中非成像光學(xué)面臨的問題具有不同的難度。二維空間的非成像光學(xué)主要研究具有一定對稱性的，如旋轉(zhuǎn)對稱和平移對稱的光學(xué)系統(tǒng)，只要求解二維輪廓線然后將其旋轉(zhuǎn)或者平移獲得相關(guān)的光學(xué)曲面。雖然對稱性對非成像光學(xué)問題進(jìn)行了一定的簡化，方便了求解，但是對稱性本身就會制約傳輸效率的進(jìn)一步提高，而且對于給定非對稱的照明區(qū)域，該方法已不再適用。因此，需要從根本上解決能量傳輸效率及能量分配的問題，目前非成像光學(xué)主要面臨的是如何將求解空間拓展到三維領(lǐng)域，設(shè)計不具有對稱性的光學(xué)系統(tǒng)。

1 非成像光學(xué)研究現(xiàn)狀

非成像光學(xué)是20世紀(jì)70年代以來逐步從國外發(fā)展起來的，是專門研究光線能量傳輸問題的一門新的光學(xué)理論。與傳統(tǒng)成像光學(xué)相比，更加關(guān)注能量的傳輸效率及其在空間和方位角的分配，能夠使用一個給定的光源在一個目標(biāo)屏幕上面形成特定的照度分布。

非成像光學(xué)最開始是研究太陽能的收集問題，也就是光線耦合問題，當(dāng)時主要的研究人員有美國芝加哥大學(xué)Fermi研究所的R.Winston和O'Gallagher.J；倫敦大學(xué)帝國學(xué)院Blackett實驗室的W.T. Welford。隨著非成像光學(xué)的不斷發(fā)展，20世紀(jì)80年代末，關(guān)于能量收集和控制的理論體系逐步完善，為了解決如何將郎伯光源轉(zhuǎn)換成具有一定發(fā)射角的光束并且無雜散光的問題，產(chǎn)生了邊緣光線理論—the edge-ray method，隨后便出現(xiàn)了基于非成像光學(xué)的太陽能收集器——非成像聚光器以及具有高度對稱的球面反射器[1-2]。在能量收集和傳輸效率方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的光學(xué)成像器件。

定光分配是非成像光學(xué)的另一分支，與光線耦合不同的是，定光分配是指如何按照需要分配光能以及設(shè)計特定的照明光學(xué)系統(tǒng)以滿足實際應(yīng)用。按照設(shè)計需求，可以將其分為二維旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)計和三維給定光分配設(shè)計。20世紀(jì)90年代，R.Winston和H.Ries等人開始定光分配開展研究，設(shè)計的反射器是根據(jù)構(gòu)建一個入射角函數(shù)來控制特定的光能分布[3]。21世紀(jì)初，隨著非成像光學(xué)引入照明系統(tǒng)，越來越多的人逐漸介入光能的分配和照明系統(tǒng)研究當(dāng)中，著名的有亞特蘭大愛慕理大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院的V.Oliker，他發(fā)明的反射鏡系統(tǒng)可以在近場的條件下，根據(jù)給定設(shè)置的目標(biāo)可以調(diào)整和改變點光源的照度分布，此方案不僅適用于照度表面是二維旋轉(zhuǎn)對稱而且適用于三維自由曲面[4-6]。

三維給定光分配設(shè)計是相對于二維旋轉(zhuǎn)或?qū)ΨQ設(shè)計而言的，光學(xué)模型要比二維設(shè)計復(fù)雜得多，雖然缺乏通用的方法，但是目前也有幾種方法可以獲得近似解。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，具有郎伯光源特征的LED逐漸引入照明行業(yè)，理論和實踐證明，將三維定光分配應(yīng)用到LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計上是可行的。國內(nèi)對非成像三維定光分配的研究起步較晚。2007年，以清華大學(xué)電子工程系集成光電子學(xué)國家重點實驗室羅毅教授課題組為主研發(fā)的LED路燈突破了嚴(yán)重的技術(shù)瓶頸，其實際光照為矩形而且分布均勻，這是當(dāng)時國內(nèi)利用非成像理論進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的頂端技術(shù)水平[7-8]。

值得指出的是，目前基于非成像的LED光學(xué)系統(tǒng)的研究主要是應(yīng)用于近距離均勻照射，其光照不超過十幾米，不適用于更遠(yuǎn)距離給定光能分配的場合。而且光照距離越遠(yuǎn)，光學(xué)設(shè)計人員為了達(dá)到預(yù)測的效果而造成光源浪費就越能體現(xiàn)出來。例如LED汽車前照燈，目前國內(nèi)外技術(shù)還不成熟，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計還有待改進(jìn)，利用非成像光學(xué)知識，如果能夠合理的放置光源，有力地控制所需的光源數(shù)目，并且根據(jù)光照面不同需求來分配光能，不僅能夠有效地解決大功率LED的散熱問題，而且還降低成本，增強光照效果，還可以確保行車安全，減少事故發(fā)生的幾率。

2 LED非均勻光學(xué)設(shè)計研究現(xiàn)狀

非均勻照明是指在給定照度區(qū)域內(nèi)光強的非均勻分布，對于光能非均勻分布的研究，是大功率LED引入汽車照明后近幾年才開始發(fā)展起來的。2005年皇家飛利浦發(fā)布的一項發(fā)明專利中，對這個問題進(jìn)行了初步探討；斯坦利電氣在“LED技術(shù)研討會2007”上，也對此做了特別強調(diào)。

以典型的汽車前照燈為例，為了避免近距離車輛在車燈的照射下不刺眼，越是靠近車輛前方的道路區(qū)域，發(fā)射光強應(yīng)越低，在規(guī)定光照距離最遠(yuǎn)處光照應(yīng)保持高強度狀態(tài)，但是對于近似朗伯分布的LED照明光源而言，理論上都是距離光源越近，光強越強，隨著光照距離的加大，光能迅速衰減，這樣的光源顯然不符合車燈照明的要求。由于大功率LED應(yīng)用在汽車前照燈上還有很多問題要解決，目前還沒有LED的前照燈可以100%滿足ECE（光能非均勻分配）中關(guān)于光型的分布標(biāo)準(zhǔn)，很多公司都在做這方面的研究工作，例如日本小系（Kotio）制作所、德國OSRAM、奧迪、上海通用汽車公司等。endprint

3 系統(tǒng)設(shè)計實例

下面簡要介紹一種系統(tǒng)設(shè)計思路，以汽車前照燈光學(xué)系統(tǒng)為例，光源發(fā)出的光線要處在一定的水平角度或者垂直角度上，光照面可以是圖1所示形狀。

圖1中長邊d為標(biāo)準(zhǔn)路面照射寬度，短邊h為標(biāo)準(zhǔn)水平照射高度。根據(jù)以上光照面，可以大致確定LED模組的排列方式，如圖2所示。

其中每一個長方體代表一個LED單位，按照上圖排列方式組成不同的LED模組，LED單位之間的距離由光照面分配光能以及封裝面的材質(zhì)所決定。a為均勻排列，其光照面近似為矩形；b1、b2、b3、b4為非均勻排列，其光照面近似為梯形；c為交錯均勻排列，其光照面近似為平滑矩形。

非均勻分布由于是路面照射，必定有一部分光是平行出射，這就需要光照距離盡可能達(dá)到汽車行駛要求（一般為50-70米），LED光源近似朗伯分布，為了遠(yuǎn)處的光能夠平行出射，需要對光線進(jìn)行準(zhǔn)直。因此，能夠達(dá)到準(zhǔn)直效果的元件或者準(zhǔn)直透鏡與反射面折射面一樣也是該光學(xué)系統(tǒng)必不可少的組成部分。

本系統(tǒng)采用近光遠(yuǎn)光組合設(shè)計，與圖3（A）中一般的LED封裝設(shè)計思路不同。圖3（B）與圖3（C）是本系統(tǒng)擬采取的封裝結(jié)構(gòu)示意圖。對于遠(yuǎn)光而言，輸出光線由四側(cè)不規(guī)則準(zhǔn)直面與折射透鏡所控制，如圖3（B）所示；對于近光而言，輸出光線由上側(cè)不規(guī)則準(zhǔn)直面，三側(cè)反射面及折射透鏡共同決定，如圖3（C）所示。

準(zhǔn)直面的不規(guī)則度、反射器件、折射透鏡的材質(zhì)與光強的分布、LED的功率及排列位置有關(guān)，如果有必要，則可以考慮附加其它的光學(xué)配件。

此外，利用非成像理論來設(shè)計LED三維照明系統(tǒng)，設(shè)計還具有足夠的靈活性，并且能夠控制光源各個角度出射的光線，解決在遠(yuǎn)距離的情況下光照面比較復(fù)雜時給定光分配的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]W.T. Welford， R.Winston. Two-dimensional nonimaging concentrators with refracting optics[J].JOSA， 1979， 69（6）： 917-919.

[2]R.Winston. Nonimaging optics [J]. Solar Today （United States）， March 1991：76-81.

[3]R.Winston， H.Ries. Nonimaging reflectors as functionals of the desired irradiance [J]. Journal of the Optical Society of America A （Optics and Image Science）， Sept. 1993，10（9）： 1902-1908.

[4]V.Oliker. Freeform optical systems with prescribed irradiance properties in near-field [C] //Contract Proceedings 2006. International Society for Optics and Photonics， 2006： 634211-634211-12.

[5]V.Oliker. Geometric and variational methods in optical design of reflecting surfaces with prescribed irradiance properties[C]//Optics & Photonics 2005. International Society for Optics and Photonics， 2005： 594207-594207-12.

[6]J.C.Mi■ano， J.C.Gonzalez. New method of design of nonimaging concentrators[J].Applied optics，1992，31（16）：3051-3060.

[7]羅毅，張賢鵬，王霖等.半導(dǎo)體照明中的非成像光學(xué)及其應(yīng)用[J].中國激光，2008，35（7）：963-971.

[8]楊毅，錢可元，羅毅.一種新型的基于非成像光學(xué)的LED均勻照明系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33（1）：110-115.endprint

3 系統(tǒng)設(shè)計實例

下面簡要介紹一種系統(tǒng)設(shè)計思路，以汽車前照燈光學(xué)系統(tǒng)為例，光源發(fā)出的光線要處在一定的水平角度或者垂直角度上，光照面可以是圖1所示形狀。

圖1中長邊d為標(biāo)準(zhǔn)路面照射寬度，短邊h為標(biāo)準(zhǔn)水平照射高度。根據(jù)以上光照面，可以大致確定LED模組的排列方式，如圖2所示。

其中每一個長方體代表一個LED單位，按照上圖排列方式組成不同的LED模組，LED單位之間的距離由光照面分配光能以及封裝面的材質(zhì)所決定。a為均勻排列，其光照面近似為矩形；b1、b2、b3、b4為非均勻排列，其光照面近似為梯形；c為交錯均勻排列，其光照面近似為平滑矩形。

非均勻分布由于是路面照射，必定有一部分光是平行出射，這就需要光照距離盡可能達(dá)到汽車行駛要求（一般為50-70米），LED光源近似朗伯分布，為了遠(yuǎn)處的光能夠平行出射，需要對光線進(jìn)行準(zhǔn)直。因此，能夠達(dá)到準(zhǔn)直效果的元件或者準(zhǔn)直透鏡與反射面折射面一樣也是該光學(xué)系統(tǒng)必不可少的組成部分。

本系統(tǒng)采用近光遠(yuǎn)光組合設(shè)計，與圖3（A）中一般的LED封裝設(shè)計思路不同。圖3（B）與圖3（C）是本系統(tǒng)擬采取的封裝結(jié)構(gòu)示意圖。對于遠(yuǎn)光而言，輸出光線由四側(cè)不規(guī)則準(zhǔn)直面與折射透鏡所控制，如圖3（B）所示；對于近光而言，輸出光線由上側(cè)不規(guī)則準(zhǔn)直面，三側(cè)反射面及折射透鏡共同決定，如圖3（C）所示。

準(zhǔn)直面的不規(guī)則度、反射器件、折射透鏡的材質(zhì)與光強的分布、LED的功率及排列位置有關(guān)，如果有必要，則可以考慮附加其它的光學(xué)配件。

此外，利用非成像理論來設(shè)計LED三維照明系統(tǒng)，設(shè)計還具有足夠的靈活性，并且能夠控制光源各個角度出射的光線，解決在遠(yuǎn)距離的情況下光照面比較復(fù)雜時給定光分配的問題。

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[8]楊毅，錢可元，羅毅.一種新型的基于非成像光學(xué)的LED均勻照明系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33（1）：110-115.endprint

3 系統(tǒng)設(shè)計實例

下面簡要介紹一種系統(tǒng)設(shè)計思路，以汽車前照燈光學(xué)系統(tǒng)為例，光源發(fā)出的光線要處在一定的水平角度或者垂直角度上，光照面可以是圖1所示形狀。

圖1中長邊d為標(biāo)準(zhǔn)路面照射寬度，短邊h為標(biāo)準(zhǔn)水平照射高度。根據(jù)以上光照面，可以大致確定LED模組的排列方式，如圖2所示。

其中每一個長方體代表一個LED單位，按照上圖排列方式組成不同的LED模組，LED單位之間的距離由光照面分配光能以及封裝面的材質(zhì)所決定。a為均勻排列，其光照面近似為矩形；b1、b2、b3、b4為非均勻排列，其光照面近似為梯形；c為交錯均勻排列，其光照面近似為平滑矩形。

非均勻分布由于是路面照射，必定有一部分光是平行出射，這就需要光照距離盡可能達(dá)到汽車行駛要求（一般為50-70米），LED光源近似朗伯分布，為了遠(yuǎn)處的光能夠平行出射，需要對光線進(jìn)行準(zhǔn)直。因此，能夠達(dá)到準(zhǔn)直效果的元件或者準(zhǔn)直透鏡與反射面折射面一樣也是該光學(xué)系統(tǒng)必不可少的組成部分。

本系統(tǒng)采用近光遠(yuǎn)光組合設(shè)計，與圖3（A）中一般的LED封裝設(shè)計思路不同。圖3（B）與圖3（C）是本系統(tǒng)擬采取的封裝結(jié)構(gòu)示意圖。對于遠(yuǎn)光而言，輸出光線由四側(cè)不規(guī)則準(zhǔn)直面與折射透鏡所控制，如圖3（B）所示；對于近光而言，輸出光線由上側(cè)不規(guī)則準(zhǔn)直面，三側(cè)反射面及折射透鏡共同決定，如圖3（C）所示。

準(zhǔn)直面的不規(guī)則度、反射器件、折射透鏡的材質(zhì)與光強的分布、LED的功率及排列位置有關(guān)，如果有必要，則可以考慮附加其它的光學(xué)配件。

此外，利用非成像理論來設(shè)計LED三維照明系統(tǒng)，設(shè)計還具有足夠的靈活性，并且能夠控制光源各個角度出射的光線，解決在遠(yuǎn)距離的情況下光照面比較復(fù)雜時給定光分配的問題。

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[8]楊毅，錢可元，羅毅.一種新型的基于非成像光學(xué)的LED均勻照明系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33（1）：110-115.endprint