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光学工程
大功率LED二次光学设计

作为21世纪的节能新光源—半导体照明技术迅速发展,其在显示,景观照明等方面应用很广泛。半导体LED若要作为照明光源,目前LED照明光源的光通量与荧光灯等通用性光源相比,还有一定差距。因此,LED要在照明领域发展,关键是要将其发光效率、光通量提高至现有照明光源的等级。要实现这目的,首先要提高LED本身的质量,要研制高功率LED器件,另外要对LED照明器具进行优化设计,提高LED的使用质量。因此研究大功率LED光源二次光学配光设计,满足大面积投光和泛光照明配光需求尤为迫切。通过二次光学设计技术,设计外加的反射杯与多重光学透镜及非球面出光表面,可以提高器件的取光效率。 

非成像光学理论起源于二十世纪六十年代中期,1966年,Hinterberger 和Winston 在发表的一篇提高太阳能收集效率的文献中首次提出“非成像光学”(Non.imaging Optics)一词。非成像光学应用主要目的是对光能传递的控制。然而成像并不被排除在非成像设计之外。非成像光学需要解决的两个主要辐射传递的设计问题是使传递能量最大化并且得到需要的照度分布。这两个设计领域通常被简单的称为集光和照明。 

单芯片LED面光源的尺寸一般为1mm×1mm,为达到一定的光通量要求,通常采用多芯片阵列,作为面光源使用,增加LED的排列也就增加了发光有效面积,同时也会增加光源的光学扩展量,而光源的光学扩展量不能超过系统的光学扩展量。因此在选择LED光源时,要考虑LED的尺寸、排列、功率、发光角度等问题,以实现较高的光能利用率。 

常用的LED面光源集光元件包括CPC(合抛物面聚光器)、TLP及TIR透镜等,下面分别介绍其各自特点和设计时的考虑。 

1. CPC  


2. TLP 

光棒是照明系统中经常采用的一种匀光光学元件,结构简单,成本低,可以做成圆柱形、方形和锥形。 

 

3. TIR透镜 

CPC和TLP在大功率LED光束整形过程中虽然有很高的集光效率,但是为了提高均匀度,会导致系统过长,为了有效缩小集光系统尺寸,采用由非球面构成的TIR透镜代替CPC和TLP集光器。 

a. 光能利用率 

系统的光能利用率用到达目标屏幕上的光通量与LED光源所发出的光通量的比值来描述。计算公式如下: 


 

b. 均匀性

将目标屏分为m×n个方格,计算每个方格内的照度B,求出各个区域与平均值之间的误差S:


样本标准误差S与样本平均值mean(Bi)就是照度均匀性:  


c. TIR透镜优化设计流程  

 

      对于面型比较复杂的TIR透镜,由于现有的商业照明仿真软件不具有优化功能,因此编制LED专用优化程序模块,帮助设计者提高描光和照明系统设计的效率与成效,结合成像系统优化软件可完成高性能的复杂照明系统的设计。

 


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