目前对led照明系统的光学设计 非成像光学系统设计

现阶段，在世界能源短缺的形势下，节能和削减消费已经成为当前我们必须面对的严峻问题。照明系统在给人们带来光的同时，也经常消耗电能，为了尽量减少电能的消耗，节能照明系统越来越受到关注。LED以能源消耗低、使用寿命长、经济性高为特征，现在广泛应用于很多领域。传统的LED照明系统设计是在实验中使用模型进行的，设计完成后，如果发现其光学特性不符合要求，就需要再设计，浪费了大量的人力和财力。随着应用光学的不断发展和进步，非成像光学理论和方法也得到了改善。基于此，叙述对非成像光学的LED照明的应用。

1非成像光学及其关联概念

1.1 非成像光学

与以往的摄像光学不同，非成像光学不重视光源在目标平面上摄像及摄像后的质量，主要关注光源的能量利用率及该能量的方位角及空间内的具体分布状况。如图所示，在摄像光学系统中，主要传输物点的光强度和位置信息，在非成像光学系统中，主要进行物点能量的传输、重组和分配。

成像光学和非成像光学功能的示意图

1.2 能量收集率

非成像光学主要关注能量的分配，若构筑非成像光学所示的装置模型，则A所表示的平面是入射孔直径面积，存在A的平面是出射孔直径面积。接着，该元件的出射孔直径面积A假定所有的光线都能够透过该部分面积出射，入射光线面积和出射光线面积的比c是能量收集率。通常，在2D系统中能量的最大收集率是C2D=l/sin，在旋转对称的3D系统中最大收集率是C3D=1/sin2theta。能量收集率的概念主要应用于非成像光学系统的评价。

能量收集率的概念

1.3几何光学

目前，几何光学广泛应用于光学系统的设计。成像光学和非成像光学系统在设计时必须以几何光学理论为基础。几何光学有四个基本规律，分别是光的线性传播规律，独立传播规律，折射规律和反射规律。

（1）光的线性传播规律。这个法则主要描述了在均匀的同性介质中光沿着直线传播的问题。

（2）光的独立传播法则。当从不同光源发射的光束通过位于空间上的某个点时，它们彼此独立地存在并且彼此不受影响。

（3）光的反射法则。如果入射、反射和投影三个光线在同一平面内，则反射角等于入射角绝对值，与符号相反，在该情况下，入射和反射光线位于投影点法线的两侧。

（4）光的折射法则。与反射规律相比，当三个光线位于同一平面内时，入射角和折射角的正弦波的比值主要与介质的具体性质有关，而与角度的大小无关。

2LED的特征和分类

在介绍LED的特征和分类之前，首先试着理解LED的概念。LED是英文Light Emitting Diode的缩写，中文是指发光二极管，是能够将电能转换成可见光的半导体器件，该设备始终以固体的形式存在。LED中的键核主要是由P型半导体和N型半导体两个部分构成的半导体晶片。

2.1LED的主要特征

由于LED采用了场发射的原理，其特征非常明显，具体地可以总结为以下几个方面。

（1）使用寿命长。一般的LED寿命都能达到10年左右。这与LED常规光源不同，不会突然操作，或者不会像钨丝灯那样突然烧损，主要是因为随着时间的经过发光性能逐渐降低。飞利浦像公司生产的LUXEON系列那样，使用5万小时后也能维持初始值的70%左右的发光强度。

（2）维护费用低。通常，与通常的光源相比LED的寿命相当于它们的10倍以上，光源交换的成本大幅减少，相应地维护费用和人工费也降低。

（3）能源消耗低。与荧光灯和白炽灯泡相比，LED的发光效率要高得多。格力公司制的XR-E型的LED发光率可以在1001m/W以上。从节能的角度来看，能量转换效率越高，在同等的光照射下的电能消耗越少也是LED最大的优点之一。

（4）体积小。这个特征主要是关于LED芯片。现阶段LED芯片的体积最小可达到毫米级。就像美国Lumileds开发制造Rebel那样，包装后的体积只不过是3x4。1（单位mm），芯片尺寸只有lmmx lmm。这种小体积对于光学设计非常方便，可以有效地降低系统的能量损失。

（5）方向性强。对于光照距离，LED绝对可以设计为点光源。通常，在进行光学设计的情况下，习惯于将简化设计程序所需的光源分割成若干点光源，这些光源可以用LED代替。同时LED也可以分布在某个物体的表面，模拟景观照明、建筑轮廓照明等形状的物体进行发光。

（6）固态照明绿色环保。LED是属于固态照明的光源，不含易碎的玻璃材质，具有较高的耐冲击性和耐振动性，可以在相对恶劣的环境中使用。另外LED不含水银等有毒有害物质，对环境好。另外，LED中也不包含红外和紫外线，不会对被照射物体造成伤害，能够有效地提高光能的利用率。

（7）适用于动作电压低、低温条件下动作。LED的主要工作方式是低压直流供电，该特征充分体现了安全性。同时，还可以在温度较低的条件下工作，实验证明在-40°C的条件下工作，基于这一点，可以应用于冰箱内的照明系统和汽车照明系统。

2.2LED分类

现在LED市场前景非常好，LED的生产厂家也越来越多，我国对LED的分类还没有统一的标准。通常，可以根据芯片功率、颜色、波长等进行分类。

（1）芯片功率。LED根据芯片功率的大小，可以分为以下几种类型：1输出功率为几十mW的单个灯，即小输出芯片；②力量LED。一般手指输入功率小于1WLED。③大功率LED。具体来说输入功率ge；1w的LED。

（2）发光色及波长。不同波长确定不同的光颜色。根据LED的光波长度，分为红外接收管、反射管、比390nm波长短的紫外线LED等。

3非成像光学LED照明系统设计中的具体应用

LED照明在进行设计时，系统首先确定诸如材料、照明系统结构、光源分布等的设计要求和条件，并根据这些相关要求确定属于什么光学设计，即2D系统、旋转对称系统或3D系统，然后必须根据具体的光学设计选择不同的设计方法。另一方面，LED芯片尺寸的大小通常可以忽略，但是可以设计一种方案，该方案可以采用点光源来进一步简化设计步骤。

3.1光耦合系统设计

通常，在投影灯、投影仪光源以及夜景照明系统等实际应用中，需要投影的面光源的情况较多。具体而言，需要得到具有相对小的投影角的面光源，若光被投影到被摄体上，则通过扩散反射被人的眼睛捕捉。LED芯片可以被看作近似朗伯光源，其发散角度相对较大，远场分布也不能满足要求。同时，从单个功率型LED芯片输出的光能也没有达到实际所要求的光辉度。因此，准直LED光学系统不仅需要实现LED芯片所放出的光的大面积的准直输出，还需要促进扩展。准直在为实现光源而设计的元件中，也有一般使用二次光学元件的，但所谓二次光学元件，具体而言是将准直透镜与封装化的LED组合使用，由此实现准直。但是，在使用该方法设计的LED照明系统中，存在由于镜头和LED之间的空气隙而产生的附加损失这样的一定缺陷。接下来，假设直接使用。个准直透镜包装芯片

防止空气隙的发生。因为需要旋转对称性，所以将封装透镜设计成了帽型。此时LED芯片作为照明系统中的光源浸入透镜中，从LED发出的光源以3个不同的方式进行准直。为了进一步实现更宽面积的准直光源，在设计时镜头需要一定的扩展性。因此，可以将透镜上面设计成正六角形，由此，能够使封装后的LED光场全部集中在小的发光角内，实现准直光源的要求。

3.2室内照明光源设计

室内的照明光源容易被人的眼睛直视，所以发光面必须尽量均匀柔软。同时，由于室内照明必须具有宽范围，因此需要发散角至少大于120deg。为了尽可能满足这些要求，确保光源最佳利用，需要将LED照明发出的光源均匀且发散地照射到发光面上。室内的主光源一般设置在房间的中心位置，因为其光场形状具有旋转对称性。因此，在给定分布的设计过程中，不仅要控制光线出射角，还必须控制光源的能量传输。这种设计可以将光源的出光角度控制在plusmn上。60deg;内还实现了远场光强度的均匀分布，与室内照明光源的要求完全一致。

3.3D照明分布设计

在室内照明中，主要研究二维给予光分布设计，但是为了实现相对复杂和实用的给予光分布，必须理解三维设计方法。在进行3D测光设计的情况下，可以根据具体的要求来确定设计构想，通常可以使用分离了变量的3D自由表面来设计，由此可以容易地获得矩形照度分布，预计该设计构想将广泛应用于LED路灯的设计。