基于非成像光學的LED三維照明系統的應用分析

聶蓉

摘要： 本文從目前主流照明光源大功率LED出發，介紹了非成像三維光學理論，詳細分析了光分配，討論了光分配應用到LED照明光學系統的可行性。結合LED前照燈設計方法，研究基于非成像的LED三維照明。最后通過一個系統設計實例討論了非成像光學在LED三維照明系統中的應用。

關鍵詞： LED；非成像光學；三維照明

中圖分類號：TD625 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）04-0029-02

0 引言

LED具有節能、環保、高效、壽命長及耐惡劣環境等優勢，即將成為新一代照明光源。在電子信息產業的帶動下，LED市場近幾年一直保持著穩步增長的發展態勢，包括背光源、信息顯示、交通信號燈、汽車用燈以及半導體照明等。目前市場份額幾十億甚至有的上千億，其中半導體照明應用最為廣泛、潛在市場最大，根據其范圍可以分為以下幾類：室外景觀照明、室內裝飾照明、專用照明、安全照明、特種照明、普通照明等。

傳統的成像光學設計更注重成像過程中圖像信息的保存，對光源能量的分布則放在次要的位置。LED光源體積小，其光強分布隨出射角的增大而迅速衰減，可以近似視為郎伯光源，要達到給定區域內的光照效果，必然中心部位光照過強，這樣就造成不必要的光損耗，而且還不利于人眼健康。在高效節能的今天，這樣的光源很難滿足現今人們對照明的要求，需要根據不同的應用場合來調整LED的輸出光強，這樣的光學設計屬于非成像光學范圍。

不同維度的空間中非成像光學面臨的問題具有不同的難度。二維空間的非成像光學主要研究具有一定對稱性的，如旋轉對稱和平移對稱的光學系統，只要求解二維輪廓線然后將其旋轉或者平移獲得相關的光學曲面。雖然對稱性對非成像光學問題進行了一定的簡化，方便了求解，但是對稱性本身就會制約傳輸效率的進一步提高，而且對于給定非對稱的照明區域，該方法已不再適用。因此，需要從根本上解決能量傳輸效率及能量分配的問題，目前非成像光學主要面臨的是如何將求解空間拓展到三維領域，設計不具有對稱性的光學系統。

1 非成像光學研究現狀

非成像光學是20世紀70年代以來逐步從國外發展起來的，是專門研究光線能量傳輸問題的一門新的光學理論。與傳統成像光學相比，更加關注能量的傳輸效率及其在空間和方位角的分配，能夠使用一個給定的光源在一個目標屏幕上面形成特定的照度分布。

非成像光學最開始是研究太陽能的收集問題，也就是光線耦合問題，當時主要的研究人員有美國芝加哥大學Fermi研究所的R.Winston和O'Gallagher.J；倫敦大學帝國學院Blackett實驗室的W.T. Welford。隨著非成像光學的不斷發展，20世紀80年代末，關于能量收集和控制的理論體系逐步完善，為了解決如何將郎伯光源轉換成具有一定發射角的光束并且無雜散光的問題，產生了邊緣光線理論—the edge-ray method，隨后便出現了基于非成像光學的太陽能收集器——非成像聚光器以及具有高度對稱的球面反射器[1-2]。在能量收集和傳輸效率方面都遠遠超過傳統的光學成像器件。

定光分配是非成像光學的另一分支，與光線耦合不同的是，定光分配是指如何按照需要分配光能以及設計特定的照明光學系統以滿足實際應用。按照設計需求，可以將其分為二維旋轉對稱設計和三維給定光分配設計。20世紀90年代，R.Winston和H.Ries等人開始定光分配開展研究，設計的反射器是根據構建一個入射角函數來控制特定的光能分布[3]。21世紀初，隨著非成像光學引入照明系統，越來越多的人逐漸介入光能的分配和照明系統研究當中，著名的有亞特蘭大愛慕理大學數學與計算機學院的V.Oliker，他發明的反射鏡系統可以在近場的條件下，根據給定設置的目標可以調整和改變點光源的照度分布，此方案不僅適用于照度表面是二維旋轉對稱而且適用于三維自由曲面[4-6]。

三維給定光分配設計是相對于二維旋轉或對稱設計而言的，光學模型要比二維設計復雜得多，雖然缺乏通用的方法，但是目前也有幾種方法可以獲得近似解。隨著半導體技術的不斷發展，具有郎伯光源特征的LED逐漸引入照明行業，理論和實踐證明，將三維定光分配應用到LED照明光學系統的設計上是可行的。國內對非成像三維定光分配的研究起步較晚。2007年，以清華大學電子工程系集成光電子學國家重點實驗室羅毅教授課題組為主研發的LED路燈突破了嚴重的技術瓶頸，其實際光照為矩形而且分布均勻，這是當時國內利用非成像理論進行光學系統設計的頂端技術水平[7-8]。

值得指出的是，目前基于非成像的LED光學系統的研究主要是應用于近距離均勻照射，其光照不超過十幾米，不適用于更遠距離給定光能分配的場合。而且光照距離越遠，光學設計人員為了達到預測的效果而造成光源浪費就越能體現出來。例如LED汽車前照燈，目前國內外技術還不成熟，光學系統的設計還有待改進，利用非成像光學知識，如果能夠合理的放置光源，有力地控制所需的光源數目，并且根據光照面不同需求來分配光能，不僅能夠有效地解決大功率LED的散熱問題，而且還降低成本，增強光照效果，還可以確保行車安全，減少事故發生的幾率。

2 LED非均勻光學設計研究現狀

非均勻照明是指在給定照度區域內光強的非均勻分布，對于光能非均勻分布的研究，是大功率LED引入汽車照明后近幾年才開始發展起來的。2005年皇家飛利浦發布的一項發明專利中，對這個問題進行了初步探討；斯坦利電氣在“LED技術研討會2007”上，也對此做了特別強調。

以典型的汽車前照燈為例，為了避免近距離車輛在車燈的照射下不刺眼，越是靠近車輛前方的道路區域，發射光強應越低，在規定光照距離最遠處光照應保持高強度狀態，但是對于近似朗伯分布的LED照明光源而言，理論上都是距離光源越近，光強越強，隨著光照距離的加大，光能迅速衰減，這樣的光源顯然不符合車燈照明的要求。由于大功率LED應用在汽車前照燈上還有很多問題要解決，目前還沒有LED的前照燈可以100%滿足ECE（光能非均勻分配）中關于光型的分布標準，很多公司都在做這方面的研究工作，例如日本小系（Kotio）制作所、德國OSRAM、奧迪、上海通用汽車公司等。endprint

3 系統設計實例

下面簡要介紹一種系統設計思路，以汽車前照燈光學系統為例，光源發出的光線要處在一定的水平角度或者垂直角度上，光照面可以是圖1所示形狀。

圖1中長邊d為標準路面照射寬度，短邊h為標準水平照射高度。根據以上光照面，可以大致確定LED模組的排列方式，如圖2所示。

其中每一個長方體代表一個LED單位，按照上圖排列方式組成不同的LED模組，LED單位之間的距離由光照面分配光能以及封裝面的材質所決定。a為均勻排列，其光照面近似為矩形；b1、b2、b3、b4為非均勻排列，其光照面近似為梯形；c為交錯均勻排列，其光照面近似為平滑矩形。

非均勻分布由于是路面照射，必定有一部分光是平行出射，這就需要光照距離盡可能達到汽車行駛要求（一般為50-70米），LED光源近似朗伯分布，為了遠處的光能夠平行出射，需要對光線進行準直。因此，能夠達到準直效果的元件或者準直透鏡與反射面折射面一樣也是該光學系統必不可少的組成部分。

本系統采用近光遠光組合設計，與圖3（A）中一般的LED封裝設計思路不同。圖3（B）與圖3（C）是本系統擬采取的封裝結構示意圖。對于遠光而言，輸出光線由四側不規則準直面與折射透鏡所控制，如圖3（B）所示；對于近光而言，輸出光線由上側不規則準直面，三側反射面及折射透鏡共同決定，如圖3（C）所示。

準直面的不規則度、反射器件、折射透鏡的材質與光強的分布、LED的功率及排列位置有關，如果有必要，則可以考慮附加其它的光學配件。

此外，利用非成像理論來設計LED三維照明系統，設計還具有足夠的靈活性，并且能夠控制光源各個角度出射的光線，解決在遠距離的情況下光照面比較復雜時給定光分配的問題。

參考文獻：

[1]W.T. Welford， R.Winston. Two-dimensional nonimaging concentrators with refracting optics[J].JOSA， 1979， 69（6）： 917-919.

[2]R.Winston. Nonimaging optics [J]. Solar Today （United States）， March 1991：76-81.

[3]R.Winston， H.Ries. Nonimaging reflectors as functionals of the desired irradiance [J]. Journal of the Optical Society of America A （Optics and Image Science）， Sept. 1993，10（9）： 1902-1908.

[4]V.Oliker. Freeform optical systems with prescribed irradiance properties in near-field [C] //Contract Proceedings 2006. International Society for Optics and Photonics， 2006： 634211-634211-12.

[5]V.Oliker. Geometric and variational methods in optical design of reflecting surfaces with prescribed irradiance properties[C]//Optics & Photonics 2005. International Society for Optics and Photonics， 2005： 594207-594207-12.

[6]J.C.Mi■ano， J.C.Gonzalez. New method of design of nonimaging concentrators[J].Applied optics，1992，31（16）：3051-3060.

[7]羅毅，張賢鵬，王霖等.半導體照明中的非成像光學及其應用[J].中國激光，2008，35（7）：963-971.

[8]楊毅，錢可元，羅毅.一種新型的基于非成像光學的LED均勻照明系統[J].光學技術，2007，33（1）：110-115.endprint

3 系統設計實例

下面簡要介紹一種系統設計思路，以汽車前照燈光學系統為例，光源發出的光線要處在一定的水平角度或者垂直角度上，光照面可以是圖1所示形狀。

圖1中長邊d為標準路面照射寬度，短邊h為標準水平照射高度。根據以上光照面，可以大致確定LED模組的排列方式，如圖2所示。

其中每一個長方體代表一個LED單位，按照上圖排列方式組成不同的LED模組，LED單位之間的距離由光照面分配光能以及封裝面的材質所決定。a為均勻排列，其光照面近似為矩形；b1、b2、b3、b4為非均勻排列，其光照面近似為梯形；c為交錯均勻排列，其光照面近似為平滑矩形。

非均勻分布由于是路面照射，必定有一部分光是平行出射，這就需要光照距離盡可能達到汽車行駛要求（一般為50-70米），LED光源近似朗伯分布，為了遠處的光能夠平行出射，需要對光線進行準直。因此，能夠達到準直效果的元件或者準直透鏡與反射面折射面一樣也是該光學系統必不可少的組成部分。

本系統采用近光遠光組合設計，與圖3（A）中一般的LED封裝設計思路不同。圖3（B）與圖3（C）是本系統擬采取的封裝結構示意圖。對于遠光而言，輸出光線由四側不規則準直面與折射透鏡所控制，如圖3（B）所示；對于近光而言，輸出光線由上側不規則準直面，三側反射面及折射透鏡共同決定，如圖3（C）所示。

準直面的不規則度、反射器件、折射透鏡的材質與光強的分布、LED的功率及排列位置有關，如果有必要，則可以考慮附加其它的光學配件。

此外，利用非成像理論來設計LED三維照明系統，設計還具有足夠的靈活性，并且能夠控制光源各個角度出射的光線，解決在遠距離的情況下光照面比較復雜時給定光分配的問題。

參考文獻：

[1]W.T. Welford， R.Winston. Two-dimensional nonimaging concentrators with refracting optics[J].JOSA， 1979， 69（6）： 917-919.

[2]R.Winston. Nonimaging optics [J]. Solar Today （United States）， March 1991：76-81.

[3]R.Winston， H.Ries. Nonimaging reflectors as functionals of the desired irradiance [J]. Journal of the Optical Society of America A （Optics and Image Science）， Sept. 1993，10（9）： 1902-1908.

[4]V.Oliker. Freeform optical systems with prescribed irradiance properties in near-field [C] //Contract Proceedings 2006. International Society for Optics and Photonics， 2006： 634211-634211-12.

[5]V.Oliker. Geometric and variational methods in optical design of reflecting surfaces with prescribed irradiance properties[C]//Optics & Photonics 2005. International Society for Optics and Photonics， 2005： 594207-594207-12.

[6]J.C.Mi■ano， J.C.Gonzalez. New method of design of nonimaging concentrators[J].Applied optics，1992，31（16）：3051-3060.

[7]羅毅，張賢鵬，王霖等.半導體照明中的非成像光學及其應用[J].中國激光，2008，35（7）：963-971.

[8]楊毅，錢可元，羅毅.一種新型的基于非成像光學的LED均勻照明系統[J].光學技術，2007，33（1）：110-115.endprint

3 系統設計實例

下面簡要介紹一種系統設計思路，以汽車前照燈光學系統為例，光源發出的光線要處在一定的水平角度或者垂直角度上，光照面可以是圖1所示形狀。

圖1中長邊d為標準路面照射寬度，短邊h為標準水平照射高度。根據以上光照面，可以大致確定LED模組的排列方式，如圖2所示。

其中每一個長方體代表一個LED單位，按照上圖排列方式組成不同的LED模組，LED單位之間的距離由光照面分配光能以及封裝面的材質所決定。a為均勻排列，其光照面近似為矩形；b1、b2、b3、b4為非均勻排列，其光照面近似為梯形；c為交錯均勻排列，其光照面近似為平滑矩形。

非均勻分布由于是路面照射，必定有一部分光是平行出射，這就需要光照距離盡可能達到汽車行駛要求（一般為50-70米），LED光源近似朗伯分布，為了遠處的光能夠平行出射，需要對光線進行準直。因此，能夠達到準直效果的元件或者準直透鏡與反射面折射面一樣也是該光學系統必不可少的組成部分。

本系統采用近光遠光組合設計，與圖3（A）中一般的LED封裝設計思路不同。圖3（B）與圖3（C）是本系統擬采取的封裝結構示意圖。對于遠光而言，輸出光線由四側不規則準直面與折射透鏡所控制，如圖3（B）所示；對于近光而言，輸出光線由上側不規則準直面，三側反射面及折射透鏡共同決定，如圖3（C）所示。

準直面的不規則度、反射器件、折射透鏡的材質與光強的分布、LED的功率及排列位置有關，如果有必要，則可以考慮附加其它的光學配件。

此外，利用非成像理論來設計LED三維照明系統，設計還具有足夠的靈活性，并且能夠控制光源各個角度出射的光線，解決在遠距離的情況下光照面比較復雜時給定光分配的問題。

參考文獻：

[1]W.T. Welford， R.Winston. Two-dimensional nonimaging concentrators with refracting optics[J].JOSA， 1979， 69（6）： 917-919.

[2]R.Winston. Nonimaging optics [J]. Solar Today （United States）， March 1991：76-81.

[3]R.Winston， H.Ries. Nonimaging reflectors as functionals of the desired irradiance [J]. Journal of the Optical Society of America A （Optics and Image Science）， Sept. 1993，10（9）： 1902-1908.

[4]V.Oliker. Freeform optical systems with prescribed irradiance properties in near-field [C] //Contract Proceedings 2006. International Society for Optics and Photonics， 2006： 634211-634211-12.

[5]V.Oliker. Geometric and variational methods in optical design of reflecting surfaces with prescribed irradiance properties[C]//Optics & Photonics 2005. International Society for Optics and Photonics， 2005： 594207-594207-12.

[6]J.C.Mi■ano， J.C.Gonzalez. New method of design of nonimaging concentrators[J].Applied optics，1992，31（16）：3051-3060.

[7]羅毅，張賢鵬，王霖等.半導體照明中的非成像光學及其應用[J].中國激光，2008，35（7）：963-971.

[8]楊毅，錢可元，羅毅.一種新型的基于非成像光學的LED均勻照明系統[J].光學技術，2007，33（1）：110-115.endprint