現(xiàn)階段，在全球能源日益短缺的形勢(shì)下，節(jié)能降耗現(xiàn)已成為我們不得不面對(duì)的嚴(yán)峻問(wèn)題。照明系統(tǒng)在帶給人們光明的同時(shí)，也無(wú)時(shí)無(wú)刻不在消耗著電能，為了盡可能減少電能的消耗，節(jié)能照明系統(tǒng)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。LED以其能耗低、使用壽命長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)性高等特點(diǎn)，現(xiàn)已在諸多領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用。以往的LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是在實(shí)驗(yàn)內(nèi)利用模型來(lái)完成，設(shè)計(jì)完成后一旦發(fā)現(xiàn)其光學(xué)特性不符合要求時(shí)，就必須得重新設(shè)計(jì)，從而浪費(fèi)了大量的人力和財(cái)力。隨著應(yīng)用光學(xué)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，非成像光學(xué)理論及其方法也隨之完善。基于此點(diǎn)，本文就非成像光學(xué)應(yīng)用于LED照明進(jìn)行淺談。
1 非成像光學(xué)及其相關(guān)概念
1.1 非成像光學(xué)
與以往傳統(tǒng)的成像光學(xué)不同，非成像光學(xué)注重的并非是光源能夠在目標(biāo)平面上成像及成像后的質(zhì)量，其主要關(guān)注的是光源的能量利用率以及該能量在方位角及空間內(nèi)的具體分布情況。如圖1所示，在成像光學(xué)系統(tǒng)中，其主要傳遞的是物點(diǎn)的光強(qiáng)度及位置信息，而在非成像光學(xué)系統(tǒng)中，則主要是對(duì)物點(diǎn)能量進(jìn)行傳輸及重新組合與分配。
圖1 成像光學(xué)與非成像光學(xué)功能示意圖
1.2 能量收集率
非成像光學(xué)主要關(guān)注的是能量的分配，如果建立一個(gè)如圖2所示的非成像光學(xué)器件模型時(shí)，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(shè)該器件的出射孔徑面積A 能夠讓全部光線都透過(guò)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(tǒng)中能量的最大收集率為C2D=l/sin，而在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的3D系統(tǒng)當(dāng)中，最大收集率為C3D=1/sin2θ。能量收集率的概念主要應(yīng)用于對(duì)非成像光學(xué)系統(tǒng)的評(píng)估當(dāng)中。
圖2 能量收集率的概念
1.3 幾何光學(xué)
目前，幾何光學(xué)已被廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。成像光學(xué)和非成像光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)都必須以幾何光學(xué)的理論為基本依據(jù)。幾何光學(xué)中有四大基本定律，分別是光的直線傳播定律、獨(dú)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(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題，即在均勻且同性的介質(zhì)中，光是沿著直線進(jìn)行傳播的。
(2)光的獨(dú)立傳播定律。由不同光源發(fā)出的光束以各種不同的方向經(jīng)過(guò)位于空間中的某一點(diǎn)時(shí)，彼此之間均是獨(dú)立存在且互不發(fā)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(nèi)時(shí)，反射角與入射角絕對(duì)值相等、符號(hào)相反，而此時(shí)入射和反射光線則會(huì)位于投射點(diǎn)法線兩側(cè)。
(4)光的折射定律。與反射定律比較類似，也是當(dāng)三種光線位于同一平面內(nèi)，入射角與折射角的正弦之比與角度的大小不發(fā)生關(guān)系，主要與介質(zhì)的具體性質(zhì)有關(guān)。
2 LED的特點(diǎn)及分類
在介紹LED的特點(diǎn)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(fā)光二極管，它是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的半導(dǎo)體器件，該器件常以固態(tài)形式存在。LED中的關(guān)鍵核心是半導(dǎo)體晶片，該晶片主要由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩個(gè)部分構(gòu)成。
2.1 LED的主要特點(diǎn)
由于LED采用的是電場(chǎng)發(fā)光的原理，其特點(diǎn)十分明顯，具體可歸納為以下幾個(gè)方面：
(1)使用壽命長(zhǎng)。一般的LED使用壽命均能夠達(dá)到10年左右。這是因?yàn)長(zhǎng)ED與以往傳統(tǒng)的光源不同，其不會(huì)發(fā)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(shí)間的不斷推移而導(dǎo)致發(fā)光性能慢慢減弱。如由飛利浦公司制造的LUXEON系列產(chǎn)品，在使用5萬(wàn)小時(shí)后，其發(fā)光強(qiáng)度還能保持在初始值的70%左右。
(2)維護(hù)費(fèi)用較低。正常情況下，與普通光源相比LED的使用壽命相當(dāng)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(yīng)地維護(hù)費(fèi)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(fā)光效率要高出很多。由格力公司出品的XR-E型號(hào)的LED發(fā)光率能夠達(dá)到1001m/W 以上。從節(jié)約能源的角度上講，能量轉(zhuǎn)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(yōu)勢(shì)之一。
(4)體積小。這一特點(diǎn)主要是針對(duì)LED芯片而言的。現(xiàn)階段的LED芯片體積最小能夠達(dá)到毫米級(jí)。如由美國(guó)Lumileds研發(fā)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(xué)設(shè)計(jì)，而且還能有效地減少系統(tǒng)的能量損耗。
(5)方向性強(qiáng)。就光照的距離而言，LED絕對(duì)可以當(dāng)做點(diǎn)光源來(lái)設(shè)計(jì)。一般在進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)步驟習(xí)慣將所需的光源拆分成若干個(gè)點(diǎn)光源，這些光源則可利用LED代替。同時(shí)LED還可以分布在某一個(gè)物體的表面上，并模擬該形狀的物體進(jìn)行發(fā)光，如景觀照明、建筑輪廓照明等。
(6)固態(tài)照明，綠色環(huán)保。LED屬于固態(tài)照明光源，其中不含有容易破碎的玻璃材質(zhì)，耐沖擊和抗震動(dòng)性能較高，所以能夠在較為惡劣的環(huán)境中使用。同時(shí)LED不含有汞等有毒有害物質(zhì)，環(huán)境友好程度較高。此外，LED中也不含紅外或紫外光，不會(huì)對(duì)被照射物體產(chǎn)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(diǎn)使其安全性得以充分體現(xiàn)。同時(shí)它還可以在溫度較低的條件下工作，實(shí)驗(yàn)證明可在-40攝氏度的條件下工作，基于此點(diǎn)，其能夠應(yīng)用于冰箱內(nèi)的照明系統(tǒng)及汽車照明系統(tǒng)中。
2.2 LED分類
當(dāng)前，由于LED有著十分良好的市場(chǎng)前景，所以LED的生產(chǎn)廠商也越來(lái)越多，我國(guó)對(duì)于LED的分類尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，可按照芯片功率、顏色及波長(zhǎng)等進(jìn)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(fā)光顏色及波長(zhǎng)。不同的波長(zhǎng)決定了光的不同顏色。按照LED的光波波長(zhǎng)可分為紅外接收管和反射管以及波長(zhǎng)短于390nm的紫外光LED等。
3 非成像光學(xué)在LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用
LED照明系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先確定設(shè)計(jì)要求及條件，如材料、照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光源分布情況等，按照這些相關(guān)的要求來(lái)確定其屬于何種光學(xué)設(shè)計(jì)，即2D系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)或是3D系統(tǒng)，然后按照具體的光學(xué)設(shè)計(jì)選擇不同的設(shè)計(jì)方法。而LED芯片尺寸的大小一般可忽略不計(jì)，同時(shí)為進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)步驟可采用點(diǎn)光源的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.1 光耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)
通常情況下，在投射燈、投影儀光源以及夜景照明系統(tǒng)等實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，常常會(huì)需要一個(gè)準(zhǔn)直投射的面光源。具體一點(diǎn)講就是需要獲得一個(gè)具有相對(duì)較小投射角的面光源，當(dāng)光線投射到被照物上時(shí)，經(jīng)過(guò)漫反射便會(huì)被人眼捕捉到。我么可以將LED芯片看作是一個(gè)近似的朗伯光源，它的發(fā)散角度相對(duì)較大，并且遠(yuǎn)場(chǎng)分布情況也無(wú)法滿足要求。同時(shí)由單顆功率型的LED芯片所輸出的光能也達(dá)不到實(shí)際要求的光亮度。為此，準(zhǔn)直LED光學(xué)系統(tǒng)不但要實(shí)現(xiàn)LED芯片發(fā)出的光在較大面積上的準(zhǔn)直輸出，而且還必須便于擴(kuò)展。有些設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直光源通常會(huì)利用二次光學(xué)元件，所謂的二次光學(xué)元件具體是指準(zhǔn)直透鏡與封裝后的LED配合使用，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直。但是采用這種方法設(shè)計(jì)出來(lái)的LED照明系統(tǒng)會(huì)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(shè)一下直接用_個(gè)準(zhǔn)直透鏡對(duì)芯片進(jìn)行封裝，來(lái)防止空氣隙的產(chǎn)生。由于需要旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性所以將封裝透鏡設(shè)計(jì)成為帽型。此時(shí)LED芯片作為照明系統(tǒng)中的光源，其會(huì)浸沒(méi)在透鏡當(dāng)中，由LED所發(fā)出的光源通過(guò)三種不同方式進(jìn)行準(zhǔn)直。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)較大面積的準(zhǔn)直光源，在設(shè)計(jì)時(shí)要求透鏡必須具有一定的可擴(kuò)展性。故此可將透鏡上表面設(shè)計(jì)成正六邊形，這樣便能夠使封裝之后的LED光場(chǎng)全部集中于較小的發(fā)射角內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直光源的要求。
3.2 室內(nèi)照明光源設(shè)計(jì)
由于室內(nèi)的照明光源很容易被人眼所直視，所以它的發(fā)光面應(yīng)盡可能均勻、柔和。同時(shí)因室內(nèi)照明必須具有較大的范圍，這就要求發(fā)散角應(yīng)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(fā)出的光源能夠均勻且發(fā)散地照射到發(fā)光面上。因?yàn)槭覂?nèi)的主光源一般都會(huì)設(shè)置在房間的中心位置處，從而使得其光場(chǎng)形狀具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。因此，在給定分布的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不但要控制好光線的出射角，而且還應(yīng)控制好光源的能量傳輸。這樣設(shè)計(jì)能夠使光源的出光角度被控制在±60°以內(nèi)，也進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)的均勻分布，與室內(nèi)照明對(duì)光源的要求完全相符。
3.3 三維給定光分布設(shè)計(jì)
在室內(nèi)照明中我們主要研究的是二維的給定光分布設(shè)計(jì)，而為了實(shí)現(xiàn)一些較為復(fù)雜且實(shí)用的給定光分布，就必須了解其在三維中的設(shè)計(jì)方法。在進(jìn)行三維給定光設(shè)計(jì)時(shí)，可按照具體要求來(lái)確定設(shè)計(jì)思路，通常可采取分離變量的三維自由表面進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣能夠很容易獲得矩形照度分布，該設(shè)計(jì)思路在LED路燈的設(shè)計(jì)上應(yīng)用前景較為廣闊。