非成像光學應用于LED照明探析現階段,在全球能源日益短缺
2017-04-06

現階段,在全球能源日益短缺的形勢下,節能降耗現已成為我們不得不面對的嚴峻問題。照明系統在帶給人們光明的同時,也無時無刻不在消耗著電能,為了盡可能減少電能的消耗,節能照明系統受到人們越來越多的關注。LED以其能耗低、使用壽命長、經濟性高等特點,現已在諸多領域內被廣泛應用。以往的LED照明系統設計都是在實驗內利用模型來完成,設計完成后一旦發現其光學特性不符合要求時,就必須得重新設計,從而浪費了大量的人力和財力。隨著應用光學的不斷發展和進步,非成像光學理論及其方法也隨之完善?;诖它c,本文就非成像光學應用于LED照明進行淺談。

1 非成像光學及其相關概念

1.1 非成像光學
與以往傳統的成像光學不同,非成像光學注重的并非是光源能夠在目標平面上成像及成像后的質量,其主要關注的是光源的能量利用率以及該能量在方位角及空間內的具體分布情況。如圖1所示,在成像光學系統中,其主要傳遞的是物點的光強度及位置信息,而在非成像光學系統中,則主要是對物點能量進行傳輸及重新組合與分配。
圖1 成像光學與非成像光學功能示意圖

1.2 能量收集率
非成像光學主要關注的是能量的分配,如果建立一個如圖2所示的非成像光學器件模型時,從中便可以清楚的看到,A所代表的平面是入射孔徑面積,而A 所在的平面則是出射孔徑面積。下面我們假設該器件的出射孔徑面積A 能夠讓全部光線都透過這部分面積出射,入射光束面積與出射光束面積這兩者之間的比值c就是能量收集率。通常情況下,2D系統中能量的最大收集率為C2D=l/sin,而在旋轉對稱的3D系統當中,最大收集率為C3D=1/sin2θ。能量收集率的概念主要應用于對非成像光學系統的評估當中。
圖2 能量收集率的概念

1.3 幾何光學
目前,幾何光學已被廣泛應用于光學系統的設計當中。成像光學和非成像光學系統在設計時都必須以幾何光學的理論為基本依據。幾何光學中有四大基本定律,分別是光的直線傳播定律、獨立傳播定律、折射定律和反射定律。
(1)光的直線傳播定律。該定律主要說明了一個問題,即在均勻且同性的介質中,光是沿著直線進行傳播的。
(2)光的獨立傳播定律。由不同光源發出的光束以各種不同的方向經過位于空間中的某一點時,彼此之間均是獨立存在且互不發生影響。
(3)光的反射定律。入射、反射、投射三種光線位于同一平面內時,反射角與入射角絕對值相等、符號相反,而此時入射和反射光線則會位于投射點法線兩側。
(4)光的折射定律。與反射定律比較類似,也是當三種光線位于同一平面內,入射角與折射角的正弦之比與角度的大小不發生關系,主要與介質的具體性質有關。

2 LED的特點及分類
在介紹LED的特點和分類之前,首先讓我們了解一下LED的概念,所謂的LED是英文Light Emitting Diode的縮寫,中文意思就是發光二極管,它是一種可以將電能轉化為可見光的半導體器件,該器件常以固態形式存在。LED中的關鍵核心是半導體晶片,該晶片主要由P型半導體和N型半導體兩個部分構成。

2.1 LED的主要特點
由于LED采用的是電場發光的原理,其特點十分明顯,具體可歸納為以下幾個方面:
(1)使用壽命長。一般的LED使用壽命均能夠達到10年左右。這是因為LED與以往傳統的光源不同,其不會發生突然不工作或是像鎢絲燈一樣突然燒壞,它的損壞主要是伴隨著時間的不斷推移而導致發光性能慢慢減弱。如由飛利浦公司制造的LUXEON系列產品,在使用5萬小時后,其發光強度還能保持在初始值的70%左右。
(2)維護費用較低。正常情況下,與普通光源相比LED的使用壽命相當于它們的10倍以上,從而使光源替換的成本大幅度減少,相應地維護費用及人力成本也隨之降低。
(3)能耗低。與熒光燈或白熾燈相比,LED的發光效率要高出很多。由格力公司出品的XR-E型號的LED發光率能夠達到1001m/W 以上。從節約能源的角度上講,能量轉換效率越高就表示在同等光照下電能消耗的越少,這也是LED的最大優勢之一。
(4)體積小。這一特點主要是針對LED芯片而言的?,F階段的LED芯片體積最小能夠達到毫米級。如由美國Lumileds研發制造的Rebel,其封裝以后的體積僅為3x4.5x2.1(單位mm),芯片大小僅為lmmx lmm。如此之小的體積非常便于光學設計,而且還能有效地減少系統的能量損耗。
(5)方向性強。就光照的距離而言,LED絕對可以當做點光源來設計。一般在進行光學設計時,為了簡化設計步驟習慣將所需的光源拆分成若干個點光源,這些光源則可利用LED代替。同時LED還可以分布在某一個物體的表面上,并模擬該形狀的物體進行發光,如景觀照明、建筑輪廓照明等。
(6)固態照明,綠色環保。LED屬于固態照明光源,其中不含有容易破碎的玻璃材質,耐沖擊和抗震動性能較高,所以能夠在較為惡劣的環境中使用。同時LED不含有汞等有毒有害物質,環境友好程度較高。此外,LED中也不含紅外或紫外光,不會對被照射物體產生傷害,而且也有效地提高了光能的利用率。
(7)工作電壓低,適宜在低溫條件下工作。LED的主要工作方式為低壓直流供電,這一特點使其安全性得以充分體現。同時它還可以在溫度較低的條件下工作,實驗證明可在-40攝氏度的條件下工作,基于此點,其能夠應用于冰箱內的照明系統及汽車照明系統中。

2.2 LED分類
當前,由于LED有著十分良好的市場前景,所以LED的生產廠商也越來越多,我國對于LED的分類尚無統一的標準。通常情況下,可按照芯片功率、顏色及波長等進行分類。
(1)芯片功率。按照LED芯片功率的大小可分為以下幾種類型:①輸出功率為幾十mW 的單燈,即小功率芯片;②功率LED。泛指輸入功率小于1W 的LED;③ 大功率LED。具體是指輸入功率≥1w 的LED。
(2)發光顏色及波長。不同的波長決定了光的不同顏色。按照LED的光波波長可分為紅外接收管和反射管以及波長短于390nm的紫外光LED等。

3 非成像光學在LED照明系統設計中的具體應用
LED照明系統在進行設計時,應首先確定設計要求及條件,如材料、照明系統結構、光源分布情況等,按照這些相關的要求來確定其屬于何種光學設計,即2D系統、旋轉對稱系統或是3D系統,然后按照具體的光學設計選擇不同的設計方法。而LED芯片尺寸的大小一般可忽略不計,同時為進一步簡化設計步驟可采用點光源的方案進行設計。

3.1 光耦合系統設計
通常情況下,在投射燈、投影儀光源以及夜景照明系統等實際應用過程中,常常會需要一個準直投射的面光源。具體一點講就是需要獲得一個具有相對較小投射角的面光源,當光線投射到被照物上時,經過漫反射便會被人眼捕捉到。我么可以將LED芯片看作是一個近似的朗伯光源,它的發散角度相對較大,并且遠場分布情況也無法滿足要求。同時由單顆功率型的LED芯片所輸出的光能也達不到實際要求的光亮度。為此,準直LED光學系統不但要實現LED芯片發出的光在較大面積上的準直輸出,而且還必須便于擴展。有些設計為了實現準直光源通常會利用二次光學元件,所謂的二次光學元件具體是指準直透鏡與封裝后的LED配合使用,并以此來實現準直。但是采用這種方法設計出來的LED照明系統會存在一定的缺陷,即透鏡與LED之間的空氣隙造成的額外損耗。下面假設一下直接用_個準直透鏡對芯片進行封裝,來防止空氣隙的產生。由于需要旋轉對稱性所以將封裝透鏡設計成為帽型。此時LED芯片作為照明系統中的光源,其會浸沒在透鏡當中,由LED所發出的光源通過三種不同方式進行準直。為了進一步實現較大面積的準直光源,在設計時要求透鏡必須具有一定的可擴展性。故此可將透鏡上表面設計成正六邊形,這樣便能夠使封裝之后的LED光場全部集中于較小的發射角內,從而實現準直光源的要求。

3.2 室內照明光源設計
由于室內的照明光源很容易被人眼所直視,所以它的發光面應盡可能均勻、柔和。同時因室內照明必須具有較大的范圍,這就要求發散角應至少大于120°。為盡可能滿足這些要求,并確保光源能夠得到最好地利用,就必須使LED照明所發出的光源能夠均勻且發散地照射到發光面上。因為室內的主光源一般都會設置在房間的中心位置處,從而使得其光場形狀具有旋轉對稱性。因此,在給定分布的設計過程中,不但要控制好光線的出射角,而且還應控制好光源的能量傳輸。這樣設計能夠使光源的出光角度被控制在±60°以內,也進一步實現了遠場光強的均勻分布,與室內照明對光源的要求完全相符。

3.3 三維給定光分布設計
在室內照明中我們主要研究的是二維的給定光分布設計,而為了實現一些較為復雜且實用的給定光分布,就必須了解其在三維中的設計方法。在進行三維給定光設計時,可按照具體要求來確定設計思路,通??刹扇》蛛x變量的三維自由表面進行設計,這樣能夠很容易獲得矩形照度分布,該設計思路在LED路燈的設計上應用前景較為廣闊。

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