Optoelectronics 光电子, 2013, 3, 39-44 http://dx.doi.org/10.12677/oe.2013.34009 Published Online December 2013 (http://www.hanspub.org/journal/oe.html) The Secondary Optical Design of LED Shaolei Wang, Li Zhang, Zhihua He, Min Li China Jiliang University, Hangzhou Email: 864335681@qq.com Received: Aug. 12th, 2013; revised: Aug. 21st, 2013; accepted: Sep. 3rd, 2013 Copyright © 2013 Shaolei Wang et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: The paper is based on the secondary optical design of LED. Firstly, we introduced some unique advantages of LED in the field of lighting and summarized relevant theoretical knowledge of photometry in the imaging optical system. Then, we analyzed and compared the methods of the secondary optical design. Finally, we discussed the devel- opment direction in the future of secondary optical design of LED. Keywords: Photometry Theory; Free Surface; Empirical Method; Partial Differential Equation Method; Cutting Method; Meshing Method; Simultaneous Multiple Surface LED 二次光学设计 王少雷,张 莉,贺志华,李 敏 中国计量学院,杭州 Email: 864335681@qq.com 收稿日期:2013 年8月12 日;修回日期:2013 年8月21 日;录用日期:2013 年9月3日 摘 要:本文以 LED 二次光学设计为主线。首先介绍了 LED在照明领域的一些独特的优点。对非成像光学系 统中关于光度学的一些相关理论知识进行了概述。然后对二次光学设计的几种方法进行分析与比较。最后,对 二次光学设计今后的发展方向做出了展望。 关键词:光度学理论;自由曲面;经验法;偏微分方程法;裁剪法;网格划分法;同步多曲面设计法 1. 引言 LED被认为是继白炽灯、荧光灯和高压气体放电 灯(HID)之后的第四次照明革命。它具有能耗低、光 电效率高、寿命长、节能环保等优点,是传统光源所 无法比拟的。这也使得LED成为21世纪最具前途的照 明解决方案。 但是LED光源是一种近似的朗伯发光体,即光源 分布是以垂直于发光面的轴线为零度角的余弦分布: 0cosII (1) 其中, 0 I 是LED沿轴线的光强, 是光线与对称轴的 夹角。对于这样的光源,在接收面上形成的是分布不 均匀的圆形光斑,所以不能直接用于照明。它必须进 行适当的一次光学设计、二次光学设计甚至是后续光 学设计,以改善其光强的分布,使之满足于照明要求。 而LED光源的特点在于其可以作为点光源处理, 便于二次光学设计,可以解决传统光源一直无法进行 有效光学设计来获得精确配光的境遇[1]。本文主要介 绍了LED二次光学设计在实际设计过程中的一些基 本方法,对这些方法进行了分析与探讨。并对LED光 学设计者设计过程提出了一些建议。最后,对二次光 学设计今后的发展进行了展望。 Open Access 39 LED 二次光学设计 2. 光度学理论[2] 2.1. 光通量(Flux) 光通量是指辐射能量中经过人眼视见函数折算 到能引起人眼光刺激的那部分的辐射能量。假设某辐 射体的辐射波长为 的单色光,该辐射体的辐射通量 为 。可以根据视见函数的意义,人眼产生的视觉 强度与辐射通量 和视见函数 de de V 成正比,于是 光通量即为: de CV d (2) 其中,C为单位换算常数。光通量的单位是流明(lm)。 2.2. 发光强度 发光强度是人眼所接收的光通量 与辐射体对 瞳孔所张立体角 的比值(如图1),即: d d d d I (3) 其中,发光强度的单位是坎德拉(cd)。 2.3. 光照度(Illuminance) 光照度是某一被照物体表面上单位面积内所接 收到的光通量大小。假设发光体光通量 照射在被 照物体表面的微元 d上,那么该物体表面的光照度 为: d S ddE S (4) 其中,光照度的单位是勒克斯(lx)。 2.4. 光亮度(Luminance) 光亮度是发光表面不同位置和不同方向的发光 特性。假设在发光面上的小面积元 d(如图 2),与 法线 的夹角为 SdS N 的方向上单位立体角 内发出的 光通量为 。那么,该方向上的光通量即为: d d 点光源 dΩ dΦ Figure 1. The luminous intensity of a point source[3] 图1. 点光源的发光强度[3] d cosd d LS (5) 2.5. 朗伯定律 由于均匀发光体表面各个方向的光亮度是一样 的。假设发光微元 d在与该微元垂直方向上的发光 强度为 S N I (如图3)。则可得与 N I 方向成角度为 的发 光强度 I 有如下公式: cos N II (6) 3. LED二次光学设计方法 LED 在封装过程中的设计被称为一次光学设计。 它主要考虑的是让 LED 发出更多的光能,以保证其 出光质量。 而二次光学设计则是在一次配光设计的基础上, 解决如何让 LED 器件发出的光线照射到预定的照明 区域上,使照明系统发出的光满足设计的要求。它更 Figure 2. The intensity of light source[3] 图2. 光源发光亮度[3] Figure 3. Lambert radiator[3] [3] 图3. 朗伯辐射体 Open Access 40 LED 二次光学设计 多考虑的是光度学 光通量、发光强 , 像 3.1. 经验法 经验法又称试错法[6],是设计人员在进行二次光 学设计中 3.2. 非成像设计方法 随着用户对 LED 光照性能要求的提高,传统透 的一些问题,如: 度、光照度与光亮度等,这些也新兴学科——非成像 光学的研究范畴[4]。LED 的二次光学设计主要依托于 非成像光学理论这一理论最早由 Hinterberger 和 Winston 提出[5]。现今,LED 的二次光学设计主要是 经验法和非成 设计方法等。 应用相当广泛的一种方法,它主要靠设计者 们凭自己的设计经验进行。这种方法是根据用户的需 要,设计人员在三维建模软件如 Solidworks、PRO/E 或UG 中绘出光学元器件(如反光杯、透镜、折光板等) 的结构,然后将设计出的结构导入非序列光线追迹软 件中(Tracepro、Lighttools 或ASAP等)。在二次光学 元件材料表面光学参数的设定后,进行光线追迹与模 拟,得到整个灯具的光强分布曲线和照明面的照度分 布图。由于经验法的设计随意性强,设计出的光学元 件结构往往不能一次性成功,需要多次修改光学元件 的结构,并进行照明模拟,直至其满足设计要求为止 (如图 4)。 确定设计条件和要求 Solidworks、PRO/E 或UG中进行 光学元件模型的设计 Tracepro、Lighttools 或ASAP 中 进行光线追迹的照明模拟 优化配光系统 导入 反馈、并修改设计 符合要求? 是 否 Figure 4. The steps of the secondary optical design for empirical 图4. 用经验法进 学设计的步骤 镜和反光杯 求了[7]。 分棒 年来,光学设计者们开始把眼光转向了自由 曲面 图非 3.2.1. 偏微分方程求解法[17-19] 立是基于非成像光学理论、 自由曲面 method 行二次光 等光学元件已经难以满足设计要 为了实现均匀照明,设计者也曾设计出了方棒(积 )[8],复眼透镜等[9]光学元件。但这些照明系统设 计起来非常复杂。并且对于方棒照明系统,它经过多 次反射,会造成光能的损失。复眼透镜经过透镜时也 会造成光能的损耗,因此降低光能的利用率。所以这 两者不适用于普通照明,只适合于特定场合下的均匀 照明。 近些 的设计。通过非成像设计的方法[10]获得自由曲面 透镜[11]以及自由曲面反射器[12]等。取得了非常好的效 果,这也引起了世界各地照明设计者们对这一方法的 浓厚兴趣。非成像设计理论包括偏微分方程求解法 [13]、裁剪法[14]、网格划分法[15]和同步多曲面设计法[16]。 5是运用 成像理论进行LED二次光学设计的步 骤。 此类偏微分方程的建 理论和微分几何理论。然后把得到的偏微分 方程在matlab里编程求解,求得自由曲面的一些数据, 把这些求得的数据在三维建模软件进行曲线拟合,并 确定设计条件和要求 非成像设计方法 matlab中编程求解,得到自由曲面的数据 自由曲面的数据在 3D 建模软件中 进行曲线拟合,并绘制其模型 导 入 Tracepro、Lighttools 或ASAP 中 进行光线追迹和光度分析 优化配光系统 Figure 5. The steps of the secondary optical design for the design 图5. 非成像 设计的步骤 method of nonimaging 设计方法进行二次光学 Open Access 41 LED 二次光学设计 完成其 度分 定律、边缘光 线原 等关 图 丁毅等利用微分方程数值解成 功构 是偏微分方程的可解性比较低,有时得到的是 虚数 三维实体模型的建立。最后把模型导入光 析软件中进行光线追迹和光度分析。 其中,建立偏微分方程依据斯涅尔 理、光束扩展度守恒等原理[20]。例如边缘光线原 理[21],光源发出的光线的边缘尽量能落在目标面的边 缘,那么边缘内部的光线就会落在目标面内,即可消 除中心亮斑。非成像光学理论的核心就是能精确控制 每一根光线,使光线“指到哪儿打到哪儿”的效果。 早在2001年,OEC公司的Ries等人通过能量守恒 系,构建非线性偏微分方程,通过数值求解得到 该自由曲面的离散面型数据[22]。他用该方法实现了一 个带“oec”字样的方形照明 案(如图6)。这一研究 震惊世界。从此,世界各地照明领域专家学者纷纷对 该方法做出了研究。 2007年,浙江大学 造了自由曲面反光器[23]。点光源和面光源照度分 别达到86.14%和89.03%。随 即 在 2009年,上海大学吴 仍茂,屠大维等[24]采用折射–全反射(TIR)光学系统, 建立TIR折射面及全反射面轮廓曲线上的点所满足的 常微分方程,构造出了一款投射器。该投射器模拟结 果:目标平面的光照均匀达92.6%,系统效率达91.8%。 当时,利用偏微分方程求解法,取得了非常广泛的应 用。 但 解。并且这种设计只适合小光源、近照明面的具 有旋转对称结构的简单情况。正因为偏微分方程求解 法的这些局限性,所以,该方法在其后没有被广泛采 用。 Figure 6. The effect of lighting system by Ries et al.[22] 3.2.2. 裁剪 Ries等人在2002年提出的。它是通 过裁 数学模型需要求解二阶Monte-Am- pher 30] 2006被提出[31],这种方法是根 据能 变量可分离映 射关 大学的蒋金波、杜雪等应用划 分网 光学设计方法的优缺点 进行设 计。 题,也是今后 LED 斑均匀度都要远远优于用经验法得到的模型。但这 图6. Ries等人研制的照明系统的效果图[22] 法[25,26] 裁剪法[27]是H. 剪光学透镜的面形以控制波前走向,从而获得均 匀的能量或照明分布。运用裁剪法进行照明设计,是 比较流行的一种方法,其成果也是比较普遍的。20 07 年,中国计量学院的余桂英、金骥等利用裁剪法设计 出了一款针对体视显微镜LED照明系统的反射器[28]。 该反射器均匀性可达90.6%,能量利用率高达99%。该 设计方案为实现照明系统小型化和简单化提供了一 种有效的途径。 但这种方法 e方程,由于其方程不易求解,所以该方法还是具 有一定的局限性。 3.2.3 网格划分法[29, 网格划分法最早在 量守恒原理定义光源光线和光线在目标接收面 位置的映射,将定义的映射作为设计条件,构造出自 由曲面型方程,得到面型的数据。该方法容易得出解 析解,求解出的结果精度高,并且不用进行误差校验。 该种方法一般适用于道路照明设计。 2007年,王霖[32]等人提出这种基于 系的自由曲面设计方法,采用该方法实现了“E” 字照明光斑(如图7)。 2008年,香港理工 格的方法,得到自由曲面的LED路灯透镜。其路 灯发出的所有光线都集中在路面,实现了光污染几乎 为零的效果。 4. LED二次 目前,LED二次光学设计普遍采用经验法 对于设计者而言,这种方法上手快,简单易行, 不需要太多复杂的计算并且步骤单一。但是,其缺点 在于设计的随意性强,设计者往往需要对模型结构进 行十几次甚至几十次反复修改,并且反复进行仿真模 拟。且效果还不定能达到设计者初试的设计要求,这 就使得这种方法执行起来费时费力。 非成像设计方法是世界性的研究课 二次光学设计的一个及其重要的发展方向。用该 方法设计出来的光学元器件模型,它的光学效率和光 Open Access 42 LED 二次光学设计 Open Access 43 Figure 7. The model and illumination facula of free surface lens[32] 图7. 自由曲面透镜模型及照明光斑[32] 种方法至今仍然没有获得设计 在于其对光学设计者的要求很高。设计者不仅需要 5. 结语 们对物质生活要求的提高,二次光学设计 越高。根据用户的需求,设计者需要设 计出 ,并通过这些数据点拟合出自由曲 面, 势的大尺寸 大功 源配光理论的研究。并且能 创造出光学设计的软件或是提出更好的光学设计方 鹏, 韩彦军, 等 (2007) 半导体照明关键技术研究. 电子进展 , 3, 17-28 [2] 李林, 等 (2009) 现代光学设计方法. 北京理工大学出版社, 北京, 9. 明系统的二次光学设计研究, 华南理工 代显示 , 4, 111. ED sour . 8-12966. 技术 , 1, 110-113. 镜的设计. 者的广泛采用。原因主 理论的同时,加大对面光 要 具备扎实的几何光学、数学建模和用matlab编程的能 力,而且还需要掌握用三维软件建模,并且用光学软 件进行光学分析的能力。这就迫切需要照明领域的研 究者设计出更多简单易行且效果高的软件,或是设计 方案,来进行光学设计。 随着人 的要求也越来 各种照度均匀的照明系统。这就对二次光学元件 的设计出了很大的难题。于是设计者把眼光纷纷投向 了二次自由曲面的研究。因为自由曲面具有高度的灵 活性和自由度,它将大大提高系统的光学性能并简化 系统的结构。因此自由曲面是目前光学设计领域研究 的前沿课题。 目前,基于非成像光学理论与几何理论求解出自 由曲面的数值点 是二次自由曲面设计的主要方法。根据非成像理 论可以精确控制每一根光线的光路方向,这是用经验 法进行二次光学设计所无法达到的。 目前为止,对于点光源二次光学设计理论模型已 经相对完善。但是针对作为光源发展趋、 [13 率面光源二次光学设计方法,却只有同步多曲面 设计法(SMS 法),并且没有相应的数学模型。这就要 求LED 二次光学设计们必须在不断完善点光源配光 案。虽然这个过程是艰辛而漫长的,但它的前景必定 是诱人的。 参考文献 (References) [1] 罗毅, 张贤 激光与光 [3] 周壹义 (2012) 大功率 LED照 大学, 广州, 5. [4] 闫瑞, 肖志松, 等 (2011) LED光学设计的现状与展望. 照明 工程学报 , 2, 38-42. [5] 深圳雷曼光电科技股份有限公司 (2010) 简论 LED 二次光学 设计. 现 [6] Bort, J., Shat, N. and Pitou, D. (2000) Optimal design of a non- imaging projection lens for use with an Lce and a rec- tangular target. In: Sasian, J.M., Ed., Novel Optical Systems De- sign and Optimization, Proceedings of SPIE, 4092, 130-138. 丁纾姝 (2012) 大功[7] 率LED 均匀照明设计理论的研究. 中国 计量学院, 杭州, 3. [8] 吕勇, 郑臻荣, 等 (2004) 方棒照明系统的光学扩展量传递 分析. 北京航空航天大学学报 , 6, 569-571. [9] 史永胜, 买迪, 宁磊 (2011) 实现在不同场合中 LED 均匀照 明的方法研究. 应用光学 , 4, 613-617. [10] 丁毅, 顾培夫, 等 (2007) 实现均匀照明的自由曲面反射器. 光学学报 , 3, 540-544 [11] Ding, Y., Liu, X. and Zheng Z.-R., et al. (2008) Freeform LED lens for uniform illumination. Optics, 17, 1295 [12] 丁毅, 顾培夫, 陆巍, 等 (2007) 利用微分方程数值解构造自 由曲面反光器. 浙江大学学报 : 工学版 , 9, 1516-1518. ] 杨毅, 钱可元, 罗毅, 等 (2007) 一种新型的基于非成像光学 的LED 均匀照明系统. 光学 [14] Ries, H. and Muschawec, J.K. (2002) Tailored freeform optical surfaces. Optical Society of America, 3, 590-595. [15] 蒋金波, 杜雪, 李荣彬, 等 (2008) 自由曲面的 LED 路灯透 液晶与显示 , 5, 589-594. LED 二次光学设计 [16] 吴仍茂, 屠大维, 等 (2009) 一种基于同步多面方法的 LED 究. 浙江大学, 照明系统的设计与实现 . 同步多面方法的 2011) LED照明的透射–全反射型复合曲面二次光学 lenses for illumination. Pro- 07) 利用微分方程数值解构造自由 功率 LED 均匀照明 ez, P. (2005) Nonim n, 3-48. oceedings , 8, 2297-2301. ociety of America, 48, microlens 定向照明设计. 光学技术 , 4, 561-565. [17] 郝翔 (2008) 基于自由曲面的 LED 照明系统研 杭州. 丁毅, 郑臻荣, 顾培夫 (2009) 实现 LED 照明的[18] 自由曲面 镜设计. 光子学报 , 6, 1486-1490. [19] 林雪琴 (2010) 大功率白光 LED 道路 透su 华南理工大学, 广州. [20] 吴仍茂, 屠大维, 等 (2009) 一种基于 LED [ 定向照明设计. 光学技术 , 4, 561-565. [21] 刘欣 ( 透镜的设计. 应用光学 , 5, 976-980. [22] Ries, H. (2001) Tailored free form ceedings of SPIE, 4442, 43-50. [23] 丁毅, 顾培夫, 等 (20曲ce 面反光器. 浙江大学学报 , 9, 1516-1518. [24] 吴仍茂, 屠大维, 等 (2009) 一种实现大 的投射器设计. 应用光学 , 3, 372-376. [25] Winston, R., Minano, J.C. and Benitaging Optics. Elsevier Academic Press, Burlingto [26] Timinger, A., Muschawegk, J. and Ries, H. (2003) Designing tailored free-form surfaces for general illumination. Pr of SPIE, 5186, 128-132. [27] Ries, H. and Muschaweck, J. (2002) Tailored freeform optical rfaces. J.Opt.Soc. Am. A, 19, 590-595. [28] 余桂英, 金骥, 等 (2009) 基于光学扩展量的 LED 均匀照明 反射器的设计. 光学学报 29] Zheng, Z.R., Hao, X. and Liu X. (2009) Freeform surface lens for LED uniform illumination. Optical S 6627-6634. [30] Sun, L.W., Jin, S.Z., et al. (2009) Design of free-form for led general illumination. SPIE-OSA-IEEE, 7635, 763509-1. [31] Parkyn, B. and Pelka, D. (2006) Free-form illumination lenses designed by apseudo-rectangular lawnmower algorithm. Pro- edings of SPIE, 6338, 633808-1. [32] Wang, L., Qian, K.Y. and Luo, Y. (2007) Discontinuous free- form lens design for prescribed irradiance. Applied Optics, 46, 3716-3723. Open Access 44 |