大功率LED二次光學(xué)設(shè)計

    作為21世紀(jì)的節(jié)能新光源—半導(dǎo)體照明技術(shù)迅速發(fā)展，其在顯示，景觀照明等方面應(yīng)用很廣泛。半導(dǎo)體LED若要作為照明光源，目前LED照明光源的光通量與熒光燈等通用性光源相比，還有一定差距。因此，LED要在照明領(lǐng)域發(fā)展，關(guān)鍵是要將其發(fā)光效率、光通量提高至現(xiàn)有照明光源的等級。要實現(xiàn)這目的，首先要提高LED本身的質(zhì)量，要研制高功率LED器件，另外要對LED照明器具進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高LED的使用質(zhì)量。因此研究大功率LED光源二次光學(xué)配光設(shè)計，滿足大面積投光和泛光照明配光需求尤為迫切。通過二次光學(xué)設(shè)計技術(shù)，設(shè)計外加的反射杯與多重光學(xué)透鏡及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。

    非成像光學(xué)理論起源于二十世紀(jì)六十年代中期，1966年，Hinterberger 和Winston 在發(fā)表的一篇提高太陽能收集效率的文獻(xiàn)中首次提出“非成像光學(xué)”(Non.imaging Optics)一詞。非成像光學(xué)應(yīng)用主要目的是對光能傳遞的控制。然而成像并不被排除在非成像設(shè)計之外。非成像光學(xué)需要解決的兩個主要輻射傳遞的設(shè)計問題是使傳遞能量最大化并且得到需要的照度分布。這兩個設(shè)計領(lǐng)域通常被簡單的稱為集光和照明。

    單芯片LED面光源的尺寸一般為1mm×1mm，為達(dá)到一定的光通量要求，通常采用多芯片陣列，作為面光源使用，增加LED的排列也就增加了發(fā)光有效面積，同時也會增加光源的光學(xué)擴展量，而光源的光學(xué)擴展量不能超過系統(tǒng)的光學(xué)擴展量。因此在選擇LED光源時，要考慮LED的尺寸、排列、功率、發(fā)光角度等問題，以實現(xiàn)較高的光能利用率。

    常用的LED面光源集光元件包括CPC（合拋物面聚光器）、TLP及TIR透鏡等，下面分別介紹其各自特點和設(shè)計時的考慮。

1. CPC 
 
 

2. TLP
　　光棒是照明系統(tǒng)中經(jīng)常采用的一種勻光光學(xué)元件，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可以做成圓柱形、方形和錐形。 
 

3. TIR透鏡
　　CPC和TLP在大功率LED光束整形過程中雖然有很高的集光效率，但是為了提高均勻度，會導(dǎo)致系統(tǒng)過長，為了有效縮小集光系統(tǒng)尺寸，采用由非球面構(gòu)成的TIR透鏡代替CPC和TLP集光器。
a. 光能利用率
　　系統(tǒng)的光能利用率用到達(dá)目標(biāo)屏幕上的光通量與LED光源所發(fā)出的光通量的比值來描述。計算公式如下： 
 

b. 均勻性
　　將目標(biāo)屏分為m×n個方格，計算每個方格內(nèi)的照度B，求出各個區(qū)域與平均值之間的誤差S:
 

　　樣本標(biāo)準(zhǔn)誤差S與樣本平均值mean（Bi）就是照度均勻性： 
 

c. TIR透鏡優(yōu)化設(shè)計流程 
 

     對于面型比較復(fù)雜的TIR透鏡，由于現(xiàn)有的商業(yè)照明仿真軟件不具有優(yōu)化功能，因此編制LED專用優(yōu)化程序模塊，幫助設(shè)計者提高描光和照明系統(tǒng)設(shè)計的效率與成效，結(jié)合成像系統(tǒng)優(yōu)化軟件可完成高性能的復(fù)雜照明系統(tǒng)的設(shè)計。