摘要:文章主要介绍了二次光学设计在实际工作中使用的一些基本方法,以及这些方法在使用过程中的比较,并对二次光学设计的发展提出了新颖的观点。
关键词:发光二极管;二次光学;方法比较
中图分类号:TN312+.8文献标识码:B
Letter Comments on Secondary Optics System Design of LED
Ledman Optoelectronic Co. Ltd.
(Ledman Optoelectronic Co. Ltd., Shenzhen Guangdong 518055, China)
Abstract: This paper describes the design of secondary optics for use in practical work, some of the basic methods, as well as the process of using methods of comparison, the second optical design and the development of innovative ideas put forward.
Keywords: LED; secondary optics, methods of comparison
引言
能源问题是21世纪最热门的话题之一,而LED在其中扮演着极其重要的角色。它拥有高效、节能、环保等物理特质,还具备寿命长、体积小等优良的应用特质。当然,LED作为照明用光源还存在一些不足,单颗LED的亮度难以满足大部分照明需求,目前通常采用多颗LED组合的方法。另一方面,由于照明要求的差异,使得LED在光的分布应用上存在一些不足,如何将LED发出的光合理、有效并充分利用成为当前光学设计的一大热点,随之而来的便是二次光学设计的大面积研究。深圳雷曼光电科技股份有限公司在二次光学设计方面投入了物力、财力和技术精干力量,现已取得一些初步成果,以下便对二次光学设计做一个简单的论述。
1LED二次光学
为了使LED芯片发出的光能够更好地输出,得到最大程度地利用,并且在照明区域内满足设计要求,需要对LED进行光学系统的设计。其中,在封装过程中的设计被称为一次光学设计,而在LED之外进行的光学设计被称为二次光学设计,也叫做二次配光设计。
一次配光设计主要是决定发光器件的出光度、光通量大小、光强大小、光强分布等,二次配光设计必须在LED发光器件一次配光设计的基础上进行。一次配光设计是保证每个LED发光器件的出光质量,考虑将LED芯片中发出的光能尽量多地取出。而二次配光设计是考虑怎样把LED器件发出的光线集中到期望的照明区域上,从而让整个系统发出的光能满足设计需要。目前,进行LED二次配光设计所使用的基本光学元件主要有透镜、反射镜和折光板等。
LED二次光学设计主要考虑的是光通量、光强、照度及亮度,而这些属于新兴学科——非成像光学的研究范围。在非成像光学中,评判系统性能的优劣不再适用于成像光学中的像差理论和成像质量,而是把光能利用率作为系统的评价标准。如何提高光能利用率也是照明系统的关键问题。当然,在照明区域的光学要求是其最根本的要求。如何将LED发出的光线最大限度地利用起来并满足照明要求,这就是二次光学设计考虑的范畴。
2LED二次光学设计方法
目前,LED的二次光学设计方法主要依托非成像光学理论,而这一理论起源于20世纪60年代中期,直到1966年才第一次被Hinterberger和Winston提出。这一理论开始是针对太阳能的聚光,对小面积光源的照明研究则起步更晚。现阶段,LED二次光学设计主要有以下两种:
(1)经验法
由于非成像光学理论的不完善,应用起来还有相当大的难度,许多设计人员在做二次光学设计时,往往凭自己的经验进行,主要是通过三维建模软件PRO/E、Solidworks或UG等绘制出光学元器件的结构,将其设计的结构在非成像光学分析软件中,通过非序列光线追迹来判断照明面的照度及整个光强分布。由于这种设计的随意性很强,设计者们往往需要多次修改光学元器件结构,多次模拟来完成设计。在这种方法中,经验成了一个至关重要的因素。此类非成像光学分析软件主要包括Tracepro、lighttools或ASAP等;
(2)偏微分方程求解法
由于普通的球面透镜、反射镜及反射器已经不能满足绝大部分照明的设计要求,自由曲面就成为发展的必然趋势,如何得到合适的自由曲面成为整个设计的最终目标。目前,使用偏微分方程求解法去获得此类自由曲面成为世界的研究课题,但这一课题进展相当缓慢。此类偏微分方程的建立是基于数学模型,通过反射、折射原理以及曲面的参数化,利用能量守恒等原理而获得。此类方程属于非线性偏微分方程组,并且由于在应用时存在结构的限制,边界条件也成为要考虑的一个重要方面,由于求解难度大,往往通过数值解和拟合来得到非自由曲面。
3LED二次光学设计方法的比较
目前,在LED二次光学设计中,经验法是比较受欢迎的一种方法,它不需要很多复杂的计算,可以通过很随意的修改来进行实验,而经验丰富者可以少走很多弯路。
偏微分方程法是目前研究的重点,由于其方程组复杂,求解麻烦,在数学模型上很难做到应用上。并且此类方法对设计人员的要求很高,需要熟悉几何光学知识,有相当扎实的数学基础和较强的编写程序能力,还需要有较强的三维建模能力及光学分析软件的能力,正是由于此类设计的难度很大,因此还处在研究阶段。
4二次光学设计的发展趋势
由于上面提到的两种方法在实际应用中都存在相当大的难度,并且由于不同LED的发光情况不尽相同,表现为配光曲线不一致,这也就使得每一个光学元件只能适应尺寸相当、配光曲线基本一致的LED。因此不同的LED需要不同的光学元器件与之配合,大量的光学设计需要程序化。如何开发相对较程序化的设计方法将是以后的研究重点,主要体现在以下几个方面:
(1)非成像光学设计软件模拟分析的准确性
如何提高软件模拟的准确性,一方面需要软件自身的准确性,另一方面需要软件参数设置的准确性,两者要结合起来考虑,通过实际设计和实际测量对比,提高模型的准确性。
(2)优化设计
如何优化我们的光学设计。由于自由曲面参数众多,不可能通过人为去控制,计算机程序必将代替我们的工作。而程序的建立需要我们准确的模型,这就要求我们建立量化的模型,通过评价函数软件的优化功能,便评价函数成为整个优化的核心。目前,具有优化功能的软件基本都是利用照度作为评价函数,由于程序需要量化参数,合适的评价函数将大大提高优化设计的速度及效果。
5结论
LED二次光学设计是新兴而富有挑战的行业,它严重影响着LED在照明中的应用及推广。随着LED本身及相关技术的不断发展,对二次光学设计的要求也越来越高,因此LED二次光学将在照明领域中扮演着重要角色。