解析非成像光学应用于LED照明

1.3.几何光学

目前，几何光学已被广泛应用于光学系统的设计当中。成像光学和非成像光学系统在设计时都必须以几何光学的理论为基本依据。几何光学中有四大基本定律，分别是光的直线传播定律、独立传播定律、折射定律和反射定律。

(1)光的直线传播定律。该定律主要说明了一个问题，即在均匀且同性的介质中，光是沿着直线进行传播的。

(2)光的独立传播定律。由不同光源发出的光束以各种不同的方向经过位于空间中的某一点时，彼此之间均是独立存在且互不发生影响。

(3)光的反射定律。入射、反射、投射三种光线位于同一平面内时，反射角与入射角绝对值相等、符号相反，而此时入射和反射光线则会位于投射点法线两侧。

(4)光的折射定律。与反射定律比较类似，也是当三种光线位于同一平面内，入射角与折射角的正弦之比与角度的大小不发生关系，主要与介质的具体性质有关。

2.LED的特点及分类

在介绍LED的特点和分类之前，首先让我们了解一下LED的概念，所谓的LED是英文Light Emitting Diode的缩写，中文意思就是发光二极管，它是一种可以将电能转化为可见光的半导体器件，该器件常以固态形式存在。LED中的关键核心是半导体晶片，该晶片主要由P型半导体和N型半导体两个部分构成。

2.1.LED的主要特点

由于LED采用的是电场发光的原理，其特点十分明显，具体可归纳为以下几个方面：

(1)使用寿命长。一般的LED使用寿命均能够达到10年左右。这是因为LED与以往传统的光源不同，其不会发生突然不工作或是像钨丝灯一样突然烧坏，它的损坏主要是伴随着时间的不断推移而导致发光性能慢慢减弱。如由飞利浦公司制造的LUXEON系列产品，在使用5万小时后，其发光强度还能保持在初始值的70%左右。

(2)维护费用较低。正常情况下，与普通光源相比LED的使用寿命相当于它们的10倍以上，从而使光源替换的成本大幅度减少，相应地维护费用及人力成本也随之降低。

(3)能耗低。与荧光灯或白炽灯相比，LED的发光效率要高出很多。由格力公司出品的XR-E型号的LED发光率能够达到1001m/W 以上。从节约能源的角度上讲，能量转换效率越高就表示在同等光照下电能消耗的越少，这也是LED的最大优势之一。

(4)体积小。这一特点主要是针对LED芯片而言的。现阶段的LED芯片体积最小能够达到毫米级。如由美国Lumileds研发制造的Rebel，其封装以后的体积仅为3x4.5x2.1(单位mm)，芯片大小仅为lmmx lmm。如此之小的体积非常便于光学设计，而且还能有效地减少系统的能量损耗。

(5)方向性强。就光照的距离而言，LED绝对可以当做点光源来设计。一般在进行光学设计时，为了简化设计步骤习惯将所需的光源拆分成若干个点光源，这些光源则可利用LED代替。同时LED还可以分布在某一个物体的表面上，并模拟该形状的物体进行发光，如景观照明、建筑轮廓照明等。

(6)固态照明，绿色环保。LED属于固态照明光源，其中不含有容易破碎的玻璃材质，耐冲击和抗震动性能较高，所以能够在较为恶劣的环境中使用。同时LED不含有汞等有毒有害物质，环境友好程度较高。此外，LED中也不含红外或紫外光，不会对被照射物体产生伤害，而且也有效地提高了光能的利用率。

(7)工作电压低，适宜在低温条件下工作。LED的主要工作方式为低压直流供电，这一特点使其安全性得以充分体现。同时它还可以在温度较低的条件下工作，实验证明可在-40摄氏度的条件下工作，基于此点，其能够应用于冰箱内的照明系统及汽车照明系统中。