LED照明系統(tǒng) 非成像光學(xué)設(shè)計(jì) 透鏡 非球面反射鏡 折光板
LED光源與傳統(tǒng)光源相比有許多優(yōu)點(diǎn),這已成為人們的共識(shí),但LED芯片體積小,結(jié)構(gòu)緊湊,其發(fā)光面積相對(duì)來說更小,它是一種180度角度出光的朗伯光源,其光強(qiáng)分布與出光角的余弦成正比,亦即LED光源所發(fā)出的光線在被照表面上所形成的照度隨出射角的增大而迅速衰減.顯然這樣的光源特性是很難滿足戶外照明用途的實(shí)際需求.因此在LED戶外照明應(yīng)用,我們必須根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和需求,針對(duì)LED光源的特性進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)LED芯片所發(fā)出的光進(jìn)行整形和改變,尤其光強(qiáng)分布的情況.這樣的二次光學(xué)設(shè)計(jì)過程實(shí)際上已屬于非成像光學(xué)設(shè)計(jì)的范疇.
非成像光學(xué)設(shè)計(jì)產(chǎn)生于二十世紀(jì)30年代,開始僅是對(duì)某些光學(xué)產(chǎn)品性能改善的實(shí)踐工作嘗試,直到70年代非成像光學(xué)設(shè)計(jì)理論才逐漸成為一個(gè)體系.與關(guān)心光源信息傳輸?shù)某上窆鈱W(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較,非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)心的是光源能量的利用和光分布控制.由于非成像光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡潔,能量利用率高,因此在LED的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引起人們廣泛的關(guān)注,目前已形成人們研究的熱點(diǎn),尤其是讓LED照明系統(tǒng)在被照表面實(shí)現(xiàn)所要求的光分布,非成像光學(xué)設(shè)計(jì)能起到關(guān)鍵的決定性作用.
在LED照明系統(tǒng)的非成像光學(xué)設(shè)計(jì)中,基本的光學(xué)元件主要有透鏡、非球面反射鏡和折光板.透鏡能使點(diǎn)光源發(fā)出的光線匯聚或發(fā)散,起到改變光束角大小的作用,從而達(dá)到改變被照表面的照明面積和照度值的目的.非球面反射鏡的形狀通常為旋轉(zhuǎn)二次曲面,其工作原理與透鏡和反射鏡完全不同,透鏡是用折射原理,反射鏡是用反射或全反射原理,它們的孔徑角一般在40度以下,而非球面反射鏡的孔徑角可達(dá)130度以上,亦即它的收集光線能力能大大增強(qiáng).至于折光板的主要作用是改變光線的出射方向或在特定的方向上改變光束的角度,實(shí)際上它就是人們常見和熟悉的LED光源系統(tǒng)的外圍塑料面板,這種塑料面板按照結(jié)構(gòu)來分類,主要有齒形折光板,梯形折光板和柱形折光板.其中齒形折光板的每一齒相當(dāng)于楔形鏡,其表面折射作用能使光線發(fā)生偏轉(zhuǎn),但不會(huì)改變光束角大小,主要起到改變光束出射方向的作用.梯形折光板相當(dāng)于平板玻璃和楔形鏡的組合體,它可使一束光分成三個(gè)方向,而三個(gè)方向光束的光強(qiáng)比是由它的平面和斜面的面積比來控制.柱形折光板又稱為復(fù)眼透鏡,它由一系列園柱面組成,每個(gè)柱面相當(dāng)于一個(gè)透鏡,在柱面母線方向上,光線保持原入射的方向,而在柱面非母線方向上,透鏡的作用使各個(gè)方向上都有匯聚或發(fā)散作用,從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展光束角的目的.
總之,對(duì)目前普遍被科技界和產(chǎn)業(yè)界看好的大功率白光LED光源,設(shè)計(jì)滿足三維給定光分布應(yīng)用需求的非成像光學(xué)封裝系統(tǒng),是當(dāng)今LED光源真正進(jìn)入照明市場(chǎng)更多地取代傳統(tǒng)光源的技術(shù)瓶頸.這一研究方向現(xiàn)在正是國際上推廣LED光源在照明上應(yīng)用的熱點(diǎn).從某仲意義上說,這也是我國打破國外LED照明技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠怄i的良好切入點(diǎn),讓我們從事LED下游的科技人員,利用非成像光學(xué)封裝系統(tǒng)從下游來推動(dòng)我國LED照明領(lǐng)域的中游和上游產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大好契機(jī).