LED綠色照明及其非成像光學設計

朱焯煒 蘇宙平 陳國慶

(江南大學理學院 江蘇 無錫 214122)

非成像光學理論起源于20世紀60年代中期.最初非成像光學主要用于需要設計高效率能量收集器的領域.隨著社會的發展，生產力的提高以及資源消耗的日益加劇，傳統的照明系統需要一個更為節能高效的設計[1].由于非成像光學在設計時徹底打破了光源的成像過程，相比傳統的成像光學系統，對于由光源成像造成的照明光斑照度不均勻現象，非成像光學應用于照明系統能改善其照明效果.利用非成像光學控制光輻射的傳輸，主要可以解決兩大類問題:一是光能的收集問題，其關注焦點在于光能的收集效率；二是光能的分配問題，其關注焦點在于如何實現預先給定的光場分布.本文所討論的以LED為光源的均勻照明系統的設計主要屬于第二類問題.

1 LED照明的優點和缺陷

發光二極管(LED)作為一種綠色光源，具有許多優點,例如電光效率高、壽命長、體積小等.所以，最近幾年LED在照明領域的應用有很大的發展，已經被廣泛應用在各種照明領域，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照明；它在耐震動、省電、長壽命方面比白熾燈具有明顯的優勢.很明顯，只要LED燈的成本隨著LED技術的不斷提高而降低，節能燈和白熾燈必然被LED燈泡取代，如路燈照明、投影儀、室內照明等.但是LED芯片本身是一個近似的朗伯光源，光強隨著發光角呈現余弦分布，即LED芯片的光分布是以垂直于LED發光面的軸線方向為零的余弦分布.光強分布表達式為

I(φ)=I0cosφ

式中I0為LED沿軸線方向的光強，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].如果不經過合適的光學系統處理而直接應用，在大多數情況下都難以滿足照明燈具和器件所需要達到的性能指標，同時還會因為大量無效光的存在而大大地降低系統的效率.因此需要根據特殊的照明要求設計光學系統，對LED發出的光進行整形，改變其光強分布.

2 基于非成像理論的自由曲面光學器件

20世紀60年代中期，系統的非成像光學理論被提出；幾乎同一時期出現了基于非成像光學理論的自由曲面的設計思想.1974年 Schruben 提出實現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].與可以用數學公式表示的解析曲面不同，自由曲面無法用解析式表達.自由曲面光學器件的設計基于非成像理論，不僅可自由分配光強，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，同時極大地提高了能量利用率.因此，自由曲面設計理論可以廣泛應用于各種設計中，特別是現代顯示照明領域.可以根據折射定律和反射定律的矢量形式來構建關于自由曲面的偏微分方程，從而求解自由曲面的面型.除了解方程來設計自由曲面光學器件之外，還可通過試錯法反復修改曲面參數獲取所需照明[4,5]，或者直接用NURBS曲面表示曲面面型，然后通過修改NURBS參數設計反射鏡面型.

3 LED準直光源系統設計

LED應用于投射照明系統時，光源需要有高效、準直的遠場分布，例如，汽車前大燈、手電筒等.以LED手電筒為例，在遠距離照明時對手電的出射角要求比較高;而LED本身發光角比較大.為了提高LED手電的遠射性能、減少光散射、令聚焦更準確、使光束平行射出、減少硬光下的光斑現象使得光線更加柔和，廠家除了不斷改進LED封裝外，也在嘗試通過自由曲面改善出光效果.設計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行準直，大角度的光線采用自由曲面反光杯準直，最終獲得滿足要求的準直照明.菲涅耳透鏡從外觀上來說是普通凸透鏡的一種簡化，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.將兩者完美結合可以保證傳輸效率和光強分布的準確性，實用價值更高.

4 均勻照度光學設計

從保護人眼和提高照明效果出發，很多場合都需要利用燈具均勻照明，即在一個給定的位置和一個給定的區域內，形成一個照度均勻的光斑，照射到這個區域之外的光被視為無效光，例如，體育場館的室內照明，馬路上路燈的照明等.若使用傳統的燈具，會造成光源出射角過大，無法全部利用LED出射光，能量損失嚴重等問題.如果配合自由曲面光學器件，則能克服其發光角大的缺點，在提高能量利用率的基礎上實現所需照明，同時燈具結構緊湊，更能體現LED體積小的優點[6].

關于均勻照明的自由曲面的設計有多種方法.運用這些技術，國內外有幾個課題組，設計了自由曲面透鏡，實現LED光源在照明面上的預定照度分布.文獻[3]基于微分方程方法設計了一個折射型的自由曲面透鏡，可以實現對LED在照明目標面上照度均勻化.文獻[7]以及韓國Yonsei大學一些人,使用了不連續自由曲面設計方法設計了一個自由曲面LED透鏡，實現了在目標面上形成了一個矩形狀的預定的照明分布.文獻[8]利用劃分網格法設計的路燈照明光學系統實現了在馬路表面特殊的照度分布要求.

5 小結

目前，LED行業在國內發展非常迅速，但主要是集中在LED芯片制造和封裝工藝.即使有一些照明產品，大多數是裝飾用的燈具，很難適應場館高標準的照明環境(高亮度、高均勻度).因此高端照明產品需要合適的光學系統進行二次配光.國內在這一領域還處于起步階段，很少有自主知識產權的成果.對LED二次光學設計的研究將會加速LED高端照明產品的發展.另外，在光學設計中需要注意的是傳統認為LED是點光源，但是實際上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，但實際上LED的配光曲線和芯片的尺寸、位置、光學材料的折射與吸收系數等30多個參數有關，在進行光學設計前需要建立一個合理、精確的LED光學模型.

參考文獻

1 薛國良．非成像光學及其應用．物理通報，1995(4)：1～2

2 羅毅,張賢鵬,等.半導體照明中的非成像光學及其應用.中國激光,2008(7):963～968

3 丁毅，鄭臻榮,顧培夫.實現LED照明的自由曲面透鏡設計.光子學報，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.自由曲面光學器件的設計及其在照明系統中的應用(博士論文集).浙江大學,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