LED路燈光學設計技術的分析

姚書劍

摘 要：現階段，新興產業在我國全面發展，其涉及范圍十分廣泛，正是處在這種環境之下，讓LED市場也不斷繁榮，LED路燈的光學設計也變得越來越重要。基于此，本文針對LED路燈光學設計技術進行分析。

關鍵詞：LED路燈；光學設計技術；分析與研究；

光學設計常常伴隨著多次設計過程，其目的和意義都有所區別。一次光學設計主要目的是為了保證每個LED發光芯片都能正常發光，二次光學設計的目的則是為了驗證每個光學器件的出光質量和效率。我們站在特定角度去考慮，只有一次光學設計成功之后，才能保證二次光學設計的順利實驗，這也是對LED路燈燈光設計技術的改進。

1.一次光學設計

LED路燈的設計技術首先要進行一次光學設計，其設計部分由內光學設計和外光學設計兩部分組成。內光學設計的定義主要是灌封膠以及熒光粉的設計，設計的主要作用還是用來提高LED燈的光通量和光色。另一方面，外光學設計的重點是將光折射出來的光束進行收集和匯聚，接著將收集的光束進行整形，使其成為強度分布均勻的光場。一次光學設計的主要目的還是把LED芯片中多余的發光能量取出來，讓LED發光光源發出來的光能在一定角度下產生折射現象，光線一般會沿著不同的方向折射出去，進而產生不同的光源結構。我們就可以根據LED光源的大致形狀將其分為點光源、圈光源和發光顯示器；一般按照發光的形狀區分，在封裝過程中，要學會區別材料的種類和了解每一種材料的性質，這樣才能采用不同的封裝方式，這種原理類似于漫射透鏡的原理，要采取科學的封裝方法才能圓滿完成一次光學設計實驗，從而提高光效的利用率。

在進行集成封裝的過程中，一般要將光束同透鏡進行微型化處理。透鏡的主要作用是可以讓光束發生折射和反射，這樣就能夠起到光束的整形和準直作用，讓發散出來的光束更加平直的排列，制作簡單可靠，便于和其他平面耦合器結合，同時這也為大功率LED 燈的研究提供了很好的經驗。實踐結果表明，利用光線的衍射和微透鏡排列分布來代替菲涅爾透鏡，可以將光束的質量和輕度大大提高，在很大程度上提高了LED 燈的質量，延長了使用壽命。LED 芯片上封裝模塊的科學排布一直是一個重要的研究課題，要求光線要均勻，這就主要取決于封裝的密度、芯片的間距以及芯片和目標的距離。一般來說4 x4陣列模塊，獲得均勻光分布的最大芯片間距d max為： 。集成芯片常常采用常規芯片，其主要優點就是能得到高密度的結合，增加其取光效率。最后，還要合理的結合用戶的要求，可以將電流和電壓進行重組，也可以改變其體積和形狀，并采用科學合理的封裝形狀進行封裝。通常選用高折射率的材料，這種材料的最大優點就是成本低、產生的光效高，這一般適用于路燈、景觀燈的設計中。

2.二次光學設計

2.1反射式的二次光學設計

反射式二次光學系統的優勢是能使LED的下部光、側部光以及上部光經過直射、反射和折射的形式輸出，簡言之就是能夠合理的將光線分配均勻，從而控制光源的通量。光源在經過反射器后，要按照相應的方向進行投射，這樣才能提高LED 路燈的發光率。其中反射器的設計最為復雜，要關系到很多種數據，其中包括反射材料的反射系數、反射分布形狀和反射曲面，一般對于要求光效高、方向性好的燈具可以選擇采用反射材料；對于光線要求不高的燈具可以采用擴散反射材料。其燈具的形狀各異，例如：拋物面、球面、平面、自由曲面等。

2.2折射式的二次光學設計

還有另一種類型要用到透鏡，這種類型的主要原理就是利用廣大折射的原理將能夠折射的材料做成燈具元件，一般用的最多的就是折射器和棱鏡，他們的主要作用就是用來改變光線的方向和折射角度的大小，這樣就能改變照明的面積和光線的強度，讓光線能夠得到合理分布。LED 如果采用透鏡，就會從點光源處發出了光線產生折射或者散射現象，因此LED 光源經過光學系統后就會形成一個均勻透明柔和的光線，這樣就會不至于引起用戶的視覺疲勞。只有將LED 光源按一定的排列順序科學分布，就會讓光能的利用率達到95%以上，就能在同一個平面上盡可能多的分布光線，讓光線的亮度加大，同時還能起到節能的重要作用。

2.3反射折射混合式的二次光學設計

在二次光學設計過程中，有時在制作LED路燈燈具時，也會采用發射和折射相混合的特殊形式。這個系統相對比較復雜，其由兩部分組成，分別是準直系統和復眼系統。兩個系統在其中起的作用各有不同，其中準直系統主要由反射器和中央準直透鏡組成。其工作過程是將LED光出了光束通過反射和折射的方式逐漸調制為平行于器件的主光軸，然后將主光軸光束輸出到復眼透鏡之上；最后由復眼透鏡控制初射光束的發散角度。

3.結語

LED技術已經逐漸成熟起來，其普遍應用于各種科學領域，在我國經濟建設中發揮著越來越重要的作用，各個領域都有自己對LED照明的要求和標準，因此，LED 二次光學設計還需不斷加強，希望早日實現LED設計技術的巨大突破。

參考文獻：

[1]張奇輝.大功率 LED 照明系統光學設計方法研究[D].廣州：華南理工大學，2010：12-13.

[2]夏勛力，余彬海，梁麗芳.矩形光場LED一次透鏡光學設計[J].半導體光電，2010，31，（5）： 690-693.