基于非成像光学led三维照明系统应用研究

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1、基于非成像光学LED三维照明系统应用研究　　摘要：本文从目前主流照明光源大功率LED出发，介绍了非成像三维光学理论，详细分析了光分配，讨论了光分配应用到LED照明光学系统的可行性。结合LED前照灯设计方法，研究基于非成像的LED三维照明。最后通过一个系统设计实例讨论了非成像光学在LED三维照明系统中的应用。关键词：LED；非成像光学；三维照明中图分类号：TD625文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）04-0029-020引言LED具有节能、环保、高效、寿命长及耐恶劣环境等优势，即将成为新一代照明光源。在电子信息产业的

2、带动下，LED市场近几年一直保持着稳步增长的发展态势，包括背光源、信息显示、交通信号灯、汽车用灯以及半导体照明等。目前市场份额几十亿甚至有的上千亿，其中半导体照明应用最为广泛、潜在市场最大，根据其范围可以分为以下几类：室外景观照明、室内装饰照明、专用照明、安全照明、特种照明、普通照明等。8传统的成像光学设计更注重成像过程中图像信息的保存，对光源能量的分布则放在次要的位置。LED光源体积小，其光强分布随出射角的增大而迅速衰减，可以近似视为郎伯光源，要达到给定区域内的光照效果，必然中心部位光照过强，这样就造成不必要的光损耗，而且还不利于人

3、眼健康。在高效节能的今天，这样的光源很难满足现今人们对照明的要求，需要根据不同的应用场合来调整LED的输出光强，这样的光学设计属于非成像光学范围。不同维度的空间中非成像光学面临的问题具有不同的难度。二维空间的非成像光学主要研究具有一定对称性的，如旋转对称和平移对称的光学系统，只要求解二维轮廓线然后将其旋转或者平移获得相关的光学曲面。虽然对称性对非成像光学问题进行了一定的简化，方便了求解，但是对称性本身就会制约传输效率的进一步提高，而且对于给定非对称的照明区域，该方法已不再适用。因此，需要从根本上解决能量传输效率及能量分配的问题，目前非

4、成像光学主要面临的是如何将求解空间拓展到三维领域，设计不具有对称性的光学系统。1非成像光学研究现状8非成像光学是20世纪70年代以来逐步从国外发展起来的，是专门研究光线能量传输问题的一门新的光学理论。与传统成像光学相比，更加关注能量的传输效率及其在空间和方位角的分配，能够使用一个给定的光源在一个目标屏幕上面形成特定的照度分布。非成像光学最开始是研究太阳能的收集问题，也就是光线耦合问题，当时主要的研究人员有美国芝加哥大学Fermi研究所的R.Winston和O’Gallagher.J；伦敦大学帝国学院Blackett实验室的W.T.We

5、lford。随着非成像光学的不断发展，20世纪80年代末，关于能量收集和控制的理论体系逐步完善，为了解决如何将郎伯光源转换成具有一定发射角的光束并且无杂散光的问题，产生了边缘光线理论—theedge-raymethod，随后便出现了基于非成像光学的太阳能收集器——非成像聚光器以及具有高度对称的球面反射器[1-2]。在能量收集和传输效率方面都远远超过传统的光学成像器件。8定光分配是非成像光学的另一分支，与光线耦合不同的是，定光分配是指如何按照需要分配光能以及设计特定的照明光学系统以满足实际应用。按照设计需求，可以将其分为二维旋转对称设计

6、和三维给定光分配设计。20世纪90年代，R.Winston和H.Ries等人开始定光分配开展研究，设计的反射器是根据构建一个入射角函数来控制特定的光能分布[3]。21世纪初，随着非成像光学引入照明系统，越来越多的人逐渐介入光能的分配和照明系统研究当中，著名的有亚特兰大爱慕理大学数学与计算机学院的V.Oliker，他发明的反射镜系统可以在近场的条件下，根据给定设置的目标可以调整和改变点光源的照度分布，此方案不仅适用于照度表面是二维旋转对称而且适用于三维自由曲面[4-6]。三维给定光分配设计是相对于二维旋转或对称设计而言的，光学模型要比二

7、维设计复杂得多，虽然缺乏通用的方法，但是目前也有几种方法可以获得近似解。随着半导体技术的不断发展，具有郎伯光源特征的LED逐渐引入照明行业，理论和实践证明，将三维定光分配应用到LED照明光学系统的设计上是可行的。国内对非成像三维定光分配的研究起步较晚。2007年，以清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室罗毅教授课题组为主研发的LED路灯突破了严重的技术瓶颈，其实际光照为矩形而且分布均匀，这是当时国内利用非成像理论进行光学系统设计的顶端技术水平[7-8]。值得指出的是，目前基于非成像的LED光学系统的研究主要是应用于近距离均匀照射

8、，其光照不超过十几米，不适用于更远距离给定光能分配的场合。而且光照距离越远，光学设计人员为了达到预测的效果而造成光源浪费就越能体现出来。例如LED汽车前照灯，目前国内外技术还不成熟，光学系统的设计还有待改进，利用非成像光