LED绿色照明及其非成像光学设计

朱焯炜 苏宙平 陈国庆

(江南大学理学院 江苏 无锡 214122)

非成像光学理论起源于20世纪60年代中期.最初非成像光学主要用于需要设计高效率能量收集器的领域.随着社会的发展，生产力的提高以及资源消耗的日益加剧，传统的照明系统需要一个更为节能高效的设计[1].由于非成像光学在设计时彻底打破了光源的成像过程，相比传统的成像光学系统，对于由光源成像造成的照明光斑照度不均匀现象，非成像光学应用于照明系统能改善其照明效果.利用非成像光学控制光辐射的传输，主要可以解决两大类问题:一是光能的收集问题，其关注焦点在于光能的收集效率；二是光能的分配问题，其关注焦点在于如何实现预先给定的光场分布.本文所讨论的以LED为光源的均匀照明系统的设计主要属于第二类问题.

1 LED照明的优点和缺陷

发光二极管(LED)作为一种绿色光源，具有许多优点,例如电光效率高、寿命长、体积小等.所以，最近几年LED在照明领域的应用有很大的发展，已经被广泛应用在各种照明领域，如路灯、车灯、投影仪及显示器中的背光源等.超高亮度LED可以做成刹车灯、尾灯和方向灯，也可用于仪表照明和车内照明；它在耐震动、省电、长寿命方面比白炽灯具有明显的优势.很明显，只要LED灯的成本随着LED技术的不断提高而降低，节能灯和白炽灯必然被LED灯泡取代，如路灯照明、投影仪、室内照明等.但是LED芯片本身是一个近似的朗伯光源，光强随着发光角呈现余弦分布，即LED芯片的光分布是以垂直于LED发光面的轴线方向为零的余弦分布.光强分布表达式为

I(φ)=I0cosφ

式中I0为LED沿轴线方向的光强，φ为出光方向与轴线之间的夹角.这种光源很难满足各种照明要求[2].如果不经过合适的光学系统处理而直接应用，在大多数情况下都难以满足照明灯具和器件所需要达到的性能指标，同时还会因为大量无效光的存在而大大地降低系统的效率.因此需要根据特殊的照明要求设计光学系统，对LED发出的光进行整形，改变其光强分布.

2 基于非成像理论的自由曲面光学器件

20世纪60年代中期，系统的非成像光学理论被提出；几乎同一时期出现了基于非成像光学理论的自由曲面的设计思想.1974年 Schruben 提出实现均匀圆形照明的自由曲面反光器.2002年 Harald Ries 提出可投射出OEC字样的自由曲面透镜[3].与可以用数学公式表示的解析曲面不同，自由曲面无法用解析式表达.自由曲面光学器件的设计基于非成像理论，不仅可自由分配光强，也可控制光线角度、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，可满足一系列照明要求，同时极大地提高了能量利用率.因此，自由曲面设计理论可以广泛应用于各种设计中，特别是现代显示照明领域.可以根据折射定律和反射定律的矢量形式来构建关于自由曲面的偏微分方程，从而求解自由曲面的面型.除了解方程来设计自由曲面光学器件之外，还可通过试错法反复修改曲面参数获取所需照明[4,5]，或者直接用NURBS曲面表示曲面面型，然后通过修改NURBS参数设计反射镜面型.

3 LED准直光源系统设计

LED应用于投射照明系统时，光源需要有高效、准直的远场分布，例如，汽车前大灯、手电筒等.以LED手电筒为例，在远距离照明时对手电的出射角要求比较高;而LED本身发光角比较大.为了提高LED手电的远射性能、减少光散射、令聚焦更准确、使光束平行射出、减少硬光下的光斑现象使得光线更加柔和，厂家除了不断改进LED封装外，也在尝试通过自由曲面改善出光效果.设计可以采用反光杯和自由曲面菲涅耳透镜组合的方法，小角度的光线采用菲涅耳透镜进行准直，大角度的光线采用自由曲面反光杯准直，最终获得满足要求的准直照明.菲涅耳透镜从外观上来说是普通凸透镜的一种简化，但它体积小、重量轻、成本低.自由曲面反光杯易于加工、材料便宜、采用全反射的传输方式，传输效率更高.将两者完美结合可以保证传输效率和光强分布的准确性，实用价值更高.

4 均匀照度光学设计

从保护人眼和提高照明效果出发，很多场合都需要利用灯具均匀照明，即在一个给定的位置和一个给定的区域内，形成一个照度均匀的光斑，照射到这个区域之外的光被视为无效光，例如，体育场馆的室内照明，马路上路灯的照明等.若使用传统的灯具，会造成光源出射角过大，无法全部利用LED出射光，能量损失严重等问题.如果配合自由曲面光学器件，则能克服其发光角大的缺点，在提高能量利用率的基础上实现所需照明，同时灯具结构紧凑，更能体现LED体积小的优点[6].

关于均匀照明的自由曲面的设计有多种方法.运用这些技术，国内外有几个课题组，设计了自由曲面透镜，实现LED光源在照明面上的预定照度分布.文献[3]基于微分方程方法设计了一个折射型的自由曲面透镜，可以实现对LED在照明目标面上照度均匀化.文献[7]以及韩国Yonsei大学一些人,使用了不连续自由曲面设计方法设计了一个自由曲面LED透镜，实现了在目标面上形成了一个矩形状的预定的照明分布.文献[8]利用划分网格法设计的路灯照明光学系统实现了在马路表面特殊的照度分布要求.

5 小结

目前，LED行业在国内发展非常迅速，但主要是集中在LED芯片制造和封装工艺.即使有一些照明产品，大多数是装饰用的灯具，很难适应场馆高标准的照明环境(高亮度、高均匀度).因此高端照明产品需要合适的光学系统进行二次配光.国内在这一领域还处于起步阶段，很少有自主知识产权的成果.对LED二次光学设计的研究将会加速LED高端照明产品的发展.另外，在光学设计中需要注意的是传统认为LED是点光源，但是实际上LED有一定的面积，是一种面光源.此外通常将LED看成完美的朗伯光源，但实际上LED的配光曲线和芯片的尺寸、位置、光学材料的折射与吸收系数等30多个参数有关，在进行光学设计前需要建立一个合理、精确的LED光学模型.

参考文献

1 薛国良．非成像光学及其应用．物理通报，1995(4)：1～2

2 罗毅,张贤鹏,等.半导体照明中的非成像光学及其应用.中国激光,2008(7):963～968

3 丁毅，郑臻荣,顾培夫.实现LED照明的自由曲面透镜设计.光子学报，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.自由曲面光学器件的设计及其在照明系统中的应用(博士论文集).浙江大学,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