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光學工程
大功率LED二次光學設計

作為21世紀的節能新光源—半導體照明技術迅速發展,其在顯示,景觀照明等方面應用很廣泛。半導體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要在照明領域發展,關鍵是要將其發光效率、光通量提高至現有照明光源的等級。要實現這目的,首先要提高LED本身的質量,要研制高功率LED器件,另外要對LED照明器具進行優化設計,提高LED的使用質量。因此研究大功率LED光源二次光學配光設計,滿足大面積投光和泛光照明配光需求尤為迫切。通過二次光學設計技術,設計外加的反射杯與多重光學透鏡及非球面出光表面,可以提高器件的取光效率。 

非成像光學理論起源于二十世紀六十年代中期,1966年,Hinterberger 和Winston 在發表的一篇提高太陽能收集效率的文獻中首次提出“非成像光學”(Non.imaging Optics)一詞。非成像光學應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計之外。非成像光學需要解決的兩個主要輻射傳遞的設計問題是使傳遞能量最大化并且得到需要的照度分布。這兩個設計領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光有效面積,同時也會增加光源的光學擴展量,而光源的光學擴展量不能超過系統的光學擴展量。因此在選擇LED光源時,要考慮LED的尺寸、排列、功率、發光角度等問題,以實現較高的光能利用率。 

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計時的考慮。 

1. CPC  


2. TLP 

光棒是照明系統中經常采用的一種勻光光學元件,結構簡單,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,會導致系統過長,為了有效縮小集光系統尺寸,采用由非球面構成的TIR透鏡代替CPC和TLP集光器。 

a. 光能利用率 

系統的光能利用率用到達目標屏幕上的光通量與LED光源所發出的光通量的比值來描述。計算公式如下: 


 

b. 均勻性

將目標屏分為m×n個方格,計算每個方格內的照度B,求出各個區域與平均值之間的誤差S:


樣本標準誤差S與樣本平均值mean(Bi)就是照度均勻性:  


c. TIR透鏡優化設計流程  

 

      對于面型比較復雜的TIR透鏡,由于現有的商業照明仿真軟件不具有優化功能,因此編制LED專用優化程序模塊,幫助設計者提高描光和照明系統設計的效率與成效,結合成像系統優化軟件可完成高性能的復雜照明系統的設計。

 


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