非成像光学应用于LED照明探析[2]

　　3 非成像光学在LED照明系统设计中的具体应用

　　LED照明系统在进行设计时，应首先确定设计要求及条件，如材料、照明系统结构、光源分布情况等，按照这些相关的要求来确定其属于何种光学设计，即2D系统、旋转对称系统或是3D系统，然后按照具体的光学设计选择不同的设计方法。而LED芯片尺寸的大小一般可忽略不计，同时为进一步简化设计步骤可采用点光源的方案进行设计。

　　3.1 光耦合系统设计

　　通常情况下，在投射灯、投影仪光源以及夜景照明系统等实际应用过程中，常常会需要一个准直投射的面光源。具体一点讲就是需要获得一个具有相对较小投射角的面光源，当光线投射到被照物上时，经过漫反射便会被人眼捕捉到。我么可以将LED芯片看作是一个近似的朗伯光源，它的发散角度相对较大，并且远场分布情况也无法满足要求。同时由单颗功率型的LED芯片所输出的光能也达不到实际要求的光亮度。为此，准直LED光学系统不但要实现LED芯片发出的光在较大面积上的准直输出，而且还必须便于扩展。有些设计为了实现准直光源通常会利用二次光学元件，所谓的二次光学元件具体是指准直透镜与封装后的LED配合使用，并以此来实现准直。但是采用这种方法设计出来的LED照明系统会存在一定的缺陷，即透镜与LED之间的空气隙造成的额外损耗。下面假设一下直接用_个准直透镜对芯片进行封装，来

　　防止空气隙的产生。由于需要旋转对称性所以将封装透镜设计成为帽型。此时LED芯片作为照明系统中的光源，其会浸没在透镜当中，由LED所发出的光源通过三种不同方式进行准直。为了进一步实现较大面积的准直光源，在设计时要求透镜必须具有一定的可扩展性。故此可将透镜上表面设计成正六边形，这样便能够使封装之后的LED光场全部集中于较小的发射角内，从而实现准直光源的要求。

　　3.2 室内照明光源设计

　　由于室内的照明光源很容易被人眼所直视，所以它的发光面应尽可能均匀、柔和。同时因室内照明必须具有较大的范围，这就要求发散角应至少大于120°。为尽可能满足这些要求，并确保光源能够得到最好地利用，就必须使LED照明所发出的光源能够均匀且发散地照射到发光面上。因为室内的主光源一般都会设置在房间的中心位置处，从而使得其光场形状具有旋转对称性。因此，在给定分布的设计过程中，不但要控制好光线的出射角，而且还应控制好光源的能量传输。这样设计能够使光源的出光角度被控制在±60°以内，也进一步实现了远场光强的均匀分布，与室内照明对光源的要求完全相符。

　　3.3 三维给定光分布设计

　　在室内照明中我们主要研究的是二维的给定光分布设计，而为了实现一些较为复杂且实用的给定光分布，就必须了解其在三维中的设计方法。在进行三维给定光设计时，可按照具体要求来确定设计思路，通常可采取分离变量的三维自由表面进行设计，这样能够很容易获得矩形照度分布，该设计思路在LED路灯的设计上应用前景较为广阔。

编辑：Cedar