基于非成像光学的 LED三维照明系统的应用分析

0 引言

LED具有节能、 环保、 高效、 寿命长及耐恶劣环境等优势， 即将成为新一代照明光源。 在电子信息产业的带动下，LED市场近几年一直保持着稳步增长的发展态势， 包括背光源、 信息显示、 交通信号灯、 汽车用灯以及半导体照明等。目前市场份额几十亿甚至有的上千亿， 其中半导体照明应用最为广泛、 潜在市场最大， 根据其范围可以分为以下几类： 室外景观照明、 室内装饰照明、 专用照明、 安全照明、 特种照明、 普通照明等。

传统的成像光学设计更注重成像过程中图像信息的保存， 对光源能量的分布则放在次要的位置。LED光源体积小， 其光强分布随出射角的增大而迅速衰减， 可以近似视为郎伯光源， 要达到给定区域内的光照效果， 必然中心部位光照过强， 这样就造成不必要的光损耗， 而且还不利于人眼健康。在高效节能的今天， 这样的光源很难满足现今人们对照明的要求，需要根据不同的应用场合来调整LED的输出光强， 这样的光学设计属于非成像光学范围。

不同维度的空间中非成像光学面临的问题具有不同的难度。 二维空间的非成像光学主要研究具有一定对称性的， 如旋转对称和平移对称的光学系统， 只要求解二维轮廓线然后将其旋转或者平移获得相关的光学曲面。 虽然对称性对非成像光学问题进行了一定的简化，方便了求解，但是对称性本身就会制约传输效率的进一步提高， 而且对于给定非对称的照明区域， 该方法已不再适用。 因此， 需要从根本上解决能量传输效率及能量分配的问题， 目前非成像光学主要面临的是如何将求解空间拓展到三维领域， 设计不具有对称性的光学系统。

1 非成像光学研究现状非成像光学是 20 世纪 70 年代以来逐步从国外发展来的， 是专门研究光线能量传输问题的一门新的光学理论。与传统成像光学相比， 更加关注能量的传输效率及其在空间和方位角的分配， 能够使用一个给定的光源在一个目标屏幕上面形成特定的照度分布。

非成像光学最开始是研究太阳能的收集问题， 也就是光线耦合问题，当时主要的研究人员有美国芝加哥大学Fermi 研究所的R.Winston 和O'Gallagher.J； 伦敦大学帝国学院Blackett 实验室的W.T. Welford。随着非成像光学的不断发展， 20 世纪80 年代末，关于能量收集和控制的理论体系逐步完善， 为了解决如何将郎伯光源转换成具有一定发射角的光束并且无杂散光的问题， 产生了边缘光线理论—the edge-ray method，随后便出现了基于非成像光学的太阳能收集器—— —非成像聚光器以及具有高度对称的球面反射器[1-2]。 在能量收集和传输效率方面都远远超过传统的光学成像器件。

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