發(fā)光二極管led半導(dǎo)體照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)光二極管led半導(dǎo)體照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1led光催化照明效能分析近年來(lái)，設(shè)備級(jí)光照明媚輸出波形（light）的光照效率已達(dá)到100lw，并預(yù)計(jì)2020年可達(dá)到200lm。白光LED器件在光效、環(huán)保和壽命等方面較傳統(tǒng)照明有顯著的優(yōu)勢(shì),會(huì)在相當(dāng)程度上替代傳統(tǒng)照明光源。目前,我國(guó)的照明用電占全社會(huì)總用電量的12%~15%,如果全部采用高光效白光LED作為照明光源,將實(shí)現(xiàn)全社會(huì)照明用電節(jié)約50%,即相當(dāng)于節(jié)約三座三峽電站的年發(fā)電量。因此,發(fā)展高效半導(dǎo)體照明光源對(duì)我國(guó)乃至全世界實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排具有重要的意義。表征照明光源性能的主要指標(biāo)包括光通量、發(fā)光效率、眩光性、顯色性、色溫以及配光等。其中發(fā)光效率為光視效能(LER)和電光轉(zhuǎn)換效率的乘積,當(dāng)電光轉(zhuǎn)換效率一定時(shí),發(fā)光效率就完全取決于光視效能,對(duì)于明視覺(jué)而言,越接近555nm的單色光,其光視效能越大。顯色性一般用顯色指數(shù)來(lái)表示,白光光譜越寬,越接近標(biāo)準(zhǔn)照明光源,其顯色指數(shù)越大,最大值為100。配光決定了目標(biāo)平面的照明效果以及光能利用率情況,好的配光也會(huì)降低失能眩光。顯然,光視效能與顯色指數(shù)之間存在折中,而這是目前多數(shù)傳統(tǒng)照明光源所無(wú)法兼顧的,如高壓鈉燈的光視效能可達(dá)500lm/W以上,但是其顯色指數(shù)卻為負(fù)值;白熾燈顯色指數(shù)接近100,但其光視效能卻不到50lm/W。對(duì)于半導(dǎo)體照明來(lái)講,傳統(tǒng)封裝白光LED主要采用藍(lán)光LED激發(fā)黃光熒光粉以實(shí)現(xiàn)白光,其顯色指數(shù)可達(dá)70以上,但因熒光粉發(fā)光峰譜寬過(guò)寬,在人眼響應(yīng)較低的波長(zhǎng)處造成浪費(fèi),以及存在斯托克斯位移,所以藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光的發(fā)光效率極限僅為300lm/W左右,若考慮電光轉(zhuǎn)換效率在實(shí)際情況下的極限約為50%,可預(yù)期具有工業(yè)價(jià)值的傳統(tǒng)封裝白光LED產(chǎn)品的光效只能達(dá)到150lm/W左右,難以實(shí)現(xiàn)200lm/W的路線圖目標(biāo)。在白光半導(dǎo)體照明光源滿足色溫范圍和高顯色指數(shù)的條件下,提高其極限流明效率成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)封裝單顆LED的光通量在100lm左右,而室內(nèi)照明需要千流明量級(jí)的照明,城市道路照明需要萬(wàn)流明量級(jí)的照明;傳統(tǒng)封裝LED是-90°~+90°半空間朗伯型發(fā)光,存在光污染與光浪費(fèi),并且在目標(biāo)面上的照度由中心往四周急速下降,無(wú)法滿足照明需求;傳統(tǒng)封裝LED的亮度約為熒光燈管的5000倍,會(huì)引起嚴(yán)重的眩光。從以上三個(gè)層面來(lái)講,高光效LED器件并不能直接替代傳統(tǒng)照明光源應(yīng)用于通用照明領(lǐng)域。而另一方面,傳統(tǒng)照明光源尺寸較大,根據(jù)Entendue守恒理論,很難設(shè)計(jì)適中尺寸的光學(xué)系統(tǒng)將大尺寸光源發(fā)出的光高效地控制在有效區(qū)域以內(nèi),導(dǎo)致光污染與光浪費(fèi)現(xiàn)象。而LED尺寸在毫米量級(jí),可設(shè)計(jì)高效率的小尺寸配光系統(tǒng),經(jīng)配光后的半導(dǎo)體照明光源能減少傳統(tǒng)照明光源造成的光污染和光能浪費(fèi),實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能減排。本文基于紅、綠、藍(lán)三色LED的組合,在使其混合產(chǎn)生的任意色坐標(biāo)點(diǎn)或色溫的白光都具有高顯色指數(shù)的條件下,研究了白光LED的發(fā)光效率極限;并詳細(xì)介紹了本項(xiàng)目組在半導(dǎo)體照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的進(jìn)展和面向道路照明、室內(nèi)照明以及特種照明的應(yīng)用情況。2提出三色混合的方案目前白光LED主要采用藍(lán)色LED芯片激發(fā)黃色熒光粉模式,其因過(guò)寬的發(fā)光譜以及斯托克斯位移,產(chǎn)生較低的白光發(fā)光效率極限,另外,其顯色指數(shù)也只有70左右,無(wú)法滿足高質(zhì)量照明需求。Mirhosseini等提出了雙藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉的方式,雖然顯色指數(shù)有較大提高,但光視效能提高并不明顯,在8000~3500K的色溫變化范圍內(nèi),其光視效能在250~330lm/W之間,仍處于較低水平。另外,由于色溫越低,所需的熒光粉量越多,從而導(dǎo)致更多的能量損耗,考慮到熒光粉吸收和斯托克斯位移后的低色溫白光LED的流明效率極限會(huì)更低。只有基于色度學(xué)原理優(yōu)化后的多色譜白光LED,才有可能同時(shí)具有高的光視效能和顯色指數(shù)。由混色原理,多個(gè)單色光源色坐標(biāo)組成的多邊形區(qū)域內(nèi)任何一點(diǎn),都可以通過(guò)這些光源以一定比例進(jìn)行混合產(chǎn)生。對(duì)于確定的白光色坐標(biāo)或色溫,通過(guò)變化具有一定線寬的紅、綠、藍(lán)三色LED或紅、黃、綠、藍(lán)四色LED的峰值波長(zhǎng)及其強(qiáng)度,使此色坐標(biāo)或色溫的白光獲得最佳的光視效能和顯色指數(shù)組合,這是目前主要采用的優(yōu)化策略。這種策略所得到的只是在某一色坐標(biāo)或色溫下的最優(yōu)化結(jié)果,而若變換多色LED的混合比例產(chǎn)生其他色坐標(biāo)或色溫的白光,其顯色指數(shù)和光視效能不但可能不是最佳,甚至?xí)a(chǎn)生較大偏離。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)(ANSI)給出了8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)色溫塊,以規(guī)范半導(dǎo)體照明光源在通用照明中的色度范圍,其中每一個(gè)四邊形代表某一色溫的容忍度。應(yīng)在此白光色度范圍以內(nèi)進(jìn)行總體優(yōu)化。對(duì)于三色LED混光,優(yōu)化條件為maxλ1,λ2,λ3[∑xw,ywLER(λ1,λ2,λ3,xw,yw)Ν],(1)Ra(λ1,λ2,λ3,xw,yw)≥RaΤ,(2)maxλ1,λ2,λ3??∑xw,ywLER(λ1,λ2,λ3,xw,yw)N??,(1)Ra(λ1,λ2,λ3,xw,yw)≥RaT,(2)式中λ1,λ2,λ3為紅、綠、藍(lán)三色LED的峰值波長(zhǎng),xw,yw為在白光色度范圍內(nèi)均勻分布的N個(gè)色坐標(biāo)點(diǎn)之一,RaT為所有色坐標(biāo)點(diǎn)光譜的一般顯色指數(shù)限制值。在計(jì)算中,藍(lán)光、綠光和紅光LED的線寬分別為20,30和20nm。理論計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)藍(lán)光峰值波長(zhǎng)在462nm,綠光峰值波長(zhǎng)在543nm,紅光的峰值波長(zhǎng)在609nm時(shí),在整個(gè)ANSI規(guī)定的白光區(qū)域內(nèi),不僅實(shí)現(xiàn)了三色混合產(chǎn)生任意色坐標(biāo)點(diǎn)白光的顯色指數(shù)大于80,而且可獲得334~430lm/W的光視效能輸出,如圖1所示。由圖1可以看出,在2700K的低色溫塊內(nèi),三色混合產(chǎn)生白光LED的最高發(fā)光效率極限為430lm/W,相比熒光粉轉(zhuǎn)換LED提高近130lm/W,其已接近高壓鈉燈的500lm/W的水平,而顯色指數(shù)相較高壓鈉燈卻有顯著的提高,可以說(shuō)目前還無(wú)其他光源具備這種能力。另外,通過(guò)改變此三色LED的輸入功率所混合產(chǎn)生的任意色坐標(biāo)點(diǎn)或色溫的白光,其顯色指數(shù)均大于80,使色溫可調(diào)的高質(zhì)量白光照明光源變得更加可行。因此,三色混合產(chǎn)生白光的方案成為半導(dǎo)體照明光源的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前,綠光LED電光轉(zhuǎn)換效率低、三基色LED光衰不一致以及驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜是限制直接使用三色混光LED的主要障礙。一種過(guò)渡的解決方案是由藍(lán)光LED抽運(yùn)熒光粉產(chǎn)生窄線寬的綠光和紅光,從而混合產(chǎn)生白光,該方案可以克服直接使用紅、綠、藍(lán)三色LED的不足,但其關(guān)鍵就在于獲得高效率、高可靠性的可產(chǎn)生窄線寬綠光、紅光的熒光粉。3基于反饋迭代方法的led合成算法傳統(tǒng)光源通常具有較大尺寸結(jié)構(gòu)并且是全空間發(fā)光,造成其光學(xué)系統(tǒng)效率低下、對(duì)光束控制能力弱,大量光能入射到目標(biāo)平面以外的區(qū)域,引起光能浪費(fèi)和光污染。而LED尺寸較小,可設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)其發(fā)出的光進(jìn)行精確調(diào)控從而獲得近乎理想的照度或亮度分布,不僅提高系統(tǒng)光效,而且提高其光能利用率,實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能減排。實(shí)現(xiàn)這一功能的三維自由光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法稱為非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,該方法將光源發(fā)出的能量盡可能多地分配至目標(biāo)平面并形成預(yù)定的光分布。利用非成像光學(xué)構(gòu)建三維自由曲面配光系統(tǒng),實(shí)際上是求解兩個(gè)基本方程,即能量守恒方程與矢量折射/反射方程?ΩΙ(i)dΩ=?SE(t)ds,(3)[1+n2-2n(Ο?i)]1/2Ν=Ο-ni,(4)式中I(i)為光源發(fā)光強(qiáng)度,Ω為光源發(fā)光立體角,E(t)為目標(biāo)平面照度分布,s為目標(biāo)平面面積,i為入射光線單位矢量,O為光線經(jīng)自由曲面折射或反射后的單位矢量,n為折射率,當(dāng)反射時(shí)n=1。傳統(tǒng)方法歸結(jié)為求解復(fù)雜的二階Monge-Ampere偏微分方程。本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出了分離變量的設(shè)計(jì)方法,簡(jiǎn)介如下。根據(jù)能量守恒,由LED發(fā)出的光能量與照射在目標(biāo)平面上的能量相等,可獲得LED發(fā)光球面坐標(biāo)(u,v)與目標(biāo)平面直角坐標(biāo)(x,y)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系Ι(u,v)|J(u,v)|dudv=E(x,y)|J(x,y)|dxdy,(5)式中|J(u,v)|和|J(x,y)|代表Jacobian因子。若球面坐標(biāo)均勻劃分,由分離變量可以得到目標(biāo)平面直角坐標(biāo)和LED發(fā)光球面坐標(biāo)的縱向?qū)?yīng)關(guān)系y=f(u)以及橫向?qū)?yīng)關(guān)系x=g(v),稱之為光源至目標(biāo)的劃分策略,如圖2(a)所示;反之,也可以將目標(biāo)區(qū)域均勻劃分,反向求解LED發(fā)光球面坐標(biāo)的劃分,稱之為目標(biāo)至光源的劃分策略,如圖2(b)所示。獲得以上坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系以后,根據(jù)遞推法和矢量反射/折射定律確定表面離散數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)及其法向矢量,并引入非連續(xù)性表面來(lái)消除表面法向矢量誤差的影響。為進(jìn)一步減小法線矢量誤差,提出了帶狀表面三維構(gòu)型方法,此時(shí)自由曲面光學(xué)系統(tǒng)更加不連續(xù)。相比于傳統(tǒng)光源,LED芯片的尺寸足夠小,在相當(dāng)多的應(yīng)用領(lǐng)域中,可以近似為點(diǎn)光源。但在實(shí)際應(yīng)用中,為了減小透鏡材料對(duì)光能的吸收損耗,同時(shí)也出于降低制造成本的考慮,需要將透鏡的尺寸盡可能減小,從而導(dǎo)致光源的尺寸無(wú)法忽略,會(huì)引起給定照度分布的偏移。為了消除自由曲面表面誤差和光源的擴(kuò)展性帶來(lái)的影響,提出了反饋迭代方法。假如將自由曲面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真看作一個(gè)系統(tǒng),那么當(dāng)輸入給定照度分布E0(x,y)時(shí),實(shí)際LED發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后輸出的照度分布E′(x,y)與輸入的照度分布并不相同,因此需要尋找某一輸入照度分布E(x,y)使輸出的照度分布接近給定照度分布E0(x,y)。通過(guò)目標(biāo)至光源的設(shè)計(jì)策略,引入反饋函數(shù),逐步補(bǔ)償修正預(yù)設(shè)照度分布,重新獲得的配光系統(tǒng)將LED發(fā)出的光折射為接近給定的照度分布。在某一次反饋時(shí),反饋函數(shù)與上一次的輸入照度分布以及仿真結(jié)果有關(guān),所以稱之為反饋迭代方法,其過(guò)程如圖3所示。以形成均勻照度分布的設(shè)計(jì)為例,經(jīng)反饋后,給定區(qū)域內(nèi)照度均勻度從19%提高到81%,如圖4所示。以上所述目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格固定的反饋迭代設(shè)計(jì)方法能較直接地實(shí)現(xiàn)當(dāng)前反饋修正因子與上一次仿真結(jié)果以及給定照度分布的接口,從理論上而言,這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)區(qū)域不同照度區(qū)間的精確定界,即實(shí)現(xiàn)不同照度區(qū)域的能量權(quán)重調(diào)整。然而,這種方法存在構(gòu)點(diǎn)精度低的問(wèn)題,會(huì)導(dǎo)致實(shí)際仿真結(jié)果出現(xiàn)偏差。采用光源能量網(wǎng)格固定的反饋迭代設(shè)計(jì)方法均勻劃分光源角度,在反饋迭代的過(guò)程中保持這種劃分不變,通過(guò)調(diào)節(jié)目標(biāo)區(qū)域的網(wǎng)格劃分,調(diào)整目標(biāo)區(qū)域各網(wǎng)格的面積大小,實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋修正。根據(jù)抽屜原理,這種劃分能使構(gòu)點(diǎn)精度最大化。目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格固定和光源能量網(wǎng)格固定兩種反饋迭代設(shè)計(jì)方法有各自的優(yōu)點(diǎn),因此,可以把兩種方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái),前者實(shí)現(xiàn)能量劃分宏觀調(diào)控,后者實(shí)現(xiàn)各區(qū)域內(nèi)照度分布微觀調(diào)控,這就是組合式反饋迭代設(shè)計(jì)方法的基本原理。此處通過(guò)引入框架線和區(qū)域線構(gòu)造自由曲面,兩種反饋迭代方法可以有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。所謂框架線,是對(duì)應(yīng)宏觀的簡(jiǎn)單照度分布區(qū)域劃分的表面曲線,用于調(diào)整區(qū)域間的能量權(quán)重,如圖5(a)所示。而區(qū)域線則分布于框架線之間,對(duì)應(yīng)微觀的各個(gè)簡(jiǎn)單照度區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格劃分的表面曲線,用于調(diào)整各區(qū)域內(nèi)的照度分布,如圖5(b)所示(彩圖請(qǐng)見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)電子版)。從圖5中可以看出,每次反饋過(guò)程中,必須先使用目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格固定反饋迭代設(shè)計(jì)方法構(gòu)造框架曲線,調(diào)整宏觀能量權(quán)重劃分,得到各個(gè)簡(jiǎn)單照度區(qū)域?qū)?yīng)的光源角度范圍(u,v)。然后在各框架曲線之間,根據(jù)抽屜原理均勻劃分該區(qū)域?qū)?yīng)的光源角以保持較高的構(gòu)點(diǎn)精度,使用光源能量網(wǎng)格固定反饋迭代設(shè)計(jì)方法構(gòu)造區(qū)域曲線,調(diào)整微觀各區(qū)域內(nèi)照度分布。通過(guò)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)驗(yàn)證該反饋迭代設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜照度分布的效果,設(shè)計(jì)實(shí)例參數(shù)為:在距離裝備了自由表面光學(xué)系統(tǒng)的LED光源7m的平面上,形成一個(gè)30m×30m的方形照度區(qū)域,如圖6(a)所示。方形照度區(qū)域內(nèi)的復(fù)雜照度分布如圖6(b)所示,該照度分布共分為5個(gè)簡(jiǎn)單照度區(qū)域,其中區(qū)域1,3,5皆為30m×8m的條形均勻照度分布,區(qū)域2,4為30m×3m的條形照度分布。各個(gè)寬照度區(qū)域與窄照度區(qū)域的能量比為16∶3,即區(qū)域1,3,5與區(qū)域2,4的總能量比為8∶1。圖7展示了使用上述兩種反饋迭代方法設(shè)計(jì)的初始光學(xué)模型及最終光學(xué)模型仿真結(jié)果,其中圖7(a),(b)為目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格固定反饋迭代方法的設(shè)計(jì)結(jié)果,圖7(c),(d)為組合式反饋迭代設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)結(jié)果。從初始結(jié)果與最終結(jié)果的對(duì)比可以看出,經(jīng)過(guò)反饋迭代設(shè)計(jì)后的最終設(shè)計(jì)相比初始設(shè)計(jì)在仿真結(jié)果上有了較大改進(jìn),基本消除了初始結(jié)果中出現(xiàn)的局部亮斑,使區(qū)域照度均勻度有了較大提升,更加符合預(yù)設(shè)目標(biāo)。然而,由于目標(biāo)區(qū)域網(wǎng)格固定反饋迭代方法設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)點(diǎn)精度低,會(huì)出現(xiàn)能量外泄加劇的現(xiàn)象,區(qū)域照度均勻度也不能達(dá)到較高的水平,而組合式反饋迭代設(shè)計(jì)方法都能在反饋過(guò)程中保證較高的構(gòu)點(diǎn)精度。照度區(qū)域內(nèi)照度均勻度為92.3%,而光利用率也達(dá)到了97.7%的高水平(不考慮菲涅耳損耗)。可見(jiàn)對(duì)于復(fù)雜照度分布設(shè)計(jì)實(shí)例,組合式反饋迭代設(shè)計(jì)方法體現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)。4等清晰度配光為消除傳統(tǒng)道路照明光源所引起的光污染和光浪費(fèi),針對(duì)LED光源,提出基于分離變量法和反饋迭代法設(shè)計(jì)自由曲面光學(xué)系統(tǒng)將LED發(fā)出的光折射使其恰好覆蓋道路寬度和周邊一定區(qū)域,從而實(shí)現(xiàn)理想的高光能利用率配光,如圖8所示。要確定光能在路面上的分布情況,一種思路是將光能量均勻分配到路面上,稱為等照度配光,目前LED應(yīng)用于道路照明普遍采用這種形式。照度僅僅是單位面積接收到的光通量,它并不代表進(jìn)入人眼的、被人眼所感知的路面反射光的情況。實(shí)際上,人眼感知的是路面的亮度,亮度是指路面單位面積單位立體角內(nèi)反射的光通量,與入射光線的強(qiáng)度、路面的反射性能以及觀察位置有關(guān)。圖9為等照度配光產(chǎn)生的亮度分布圖,其亮度分布極不均勻,產(chǎn)生“燈下黑”的現(xiàn)象。在整個(gè)路面上這種明暗相間的現(xiàn)象稱之為“斑馬紋效應(yīng)”,會(huì)導(dǎo)致駕駛員眼睛的視覺(jué)靈敏度下降。等亮度配光的主要參數(shù)有亮度均勻度、縱向亮度均勻度、平均亮度以及眩光因子,其中亮度均勻度、平均亮度和眩光因子對(duì)顯示障礙物能力有顯著的影響,而縱向亮度均勻度是“斑馬紋效應(yīng)”的主要評(píng)價(jià)指標(biāo),直接關(guān)乎人眼的視覺(jué)靈敏度。等亮度配光大大增加了道路照明設(shè)計(jì)的難度,比如:為了提高平均亮度及亮度均勻性需大角度配光,亮度計(jì)算需同時(shí)考慮幾盞燈對(duì)亮度的影響;亮度均勻性與平均亮度,眩光與平均亮度等之間存在“trade-off”;傳統(tǒng)“tryanderror”的配光方法效率低,且無(wú)法同時(shí)滿足要求。由于道路照明的復(fù)雜性,優(yōu)化理論應(yīng)用到道路照明中,Pachamanov等提出了具有15個(gè)未知系數(shù)的光強(qiáng)多項(xiàng)式,通過(guò)優(yōu)化這15個(gè)系數(shù)來(lái)獲得較好的照明效果。然而這種復(fù)雜的光強(qiáng)公式難以在燈具設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn),因此,在優(yōu)化過(guò)程中,這里僅考慮兩盞路燈對(duì)計(jì)算區(qū)域亮度的影響。提出了系統(tǒng)的按路面亮度設(shè)計(jì)LED自由曲面透鏡的方法,主要分為兩個(gè)步驟:1)確定安裝條件(路面寬度、安裝高度和路燈間距等)后,選擇照度分布,利用路面反射系數(shù)計(jì)算照明參數(shù)(總亮度均勻度、縱向亮度均勻度和眩光因子等),在保證總亮度均勻度、縱向亮度均勻度、眩光因子滿足照明標(biāo)準(zhǔn)的前提下,獲得可產(chǎn)生最高平均亮度與平均照度比的優(yōu)化照度分布;2)基于分離變量法、按優(yōu)化的照度分布設(shè)計(jì)LED自由曲面光學(xué)系統(tǒng),因曲面誤差以及光源的擴(kuò)展性,仿真照度分布會(huì)偏移優(yōu)化照度分布,基于反饋迭代法消除照度分布的偏移,得到具有優(yōu)化照度分布的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)。步驟1)中提出了具有余弦基函數(shù)的照度分布E0(x,y)=Ex(x)?Ey(y)=[J∑i=1aicosni(πx2xmax)]?1=J∑i=1aicosni(πx2xmax),(6)式中x為沿路軸方向的坐標(biāo),xmax為其最大值,y為沿路軸方向的坐標(biāo),ai,ni分別為未知的系數(shù)和冪次。亮度分布表示為L(zhǎng)(x,y)=Κ∑k=1rk(x,y)104?cos3γk(x,y)?Ek(x,y),(7)式中r為路面的反射系數(shù),γ為光線與燈桿的夾角,K代表需考慮的路燈展數(shù)。當(dāng)確定路面的照度分布與亮度分布后,就可以計(jì)算平均照度Eav、平均亮度Lav、Q值(Lav/Eav)、亮度總均勻度U0、亮度縱向均勻度UL、照度均勻度E0,也可以方便地計(jì)算出眩光因子GTI。通過(guò)選取ai,ni值,即不同的照度分布,在使U0,UL,GTI,E0滿足照明標(biāo)準(zhǔn)的前提下,可獲得最高Q值。采用余弦函數(shù)多項(xiàng)式的照度分布具有以下優(yōu)點(diǎn):易于平衡所有照明參數(shù)、獲得較好的容忍度;自由曲面光學(xué)系統(tǒng)可根據(jù)分離變量法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn);變量ai,ni少,計(jì)算速度快。優(yōu)化照度分布以后,根據(jù)分離變量法設(shè)計(jì)自由曲面透鏡,其配光曲線如圖10(a)所示?？梢钥闯?其與優(yōu)化結(jié)果存在較大差別,最大光強(qiáng)角下降約10°,從而導(dǎo)致Q值的降低。經(jīng)5次反饋以后得到的配光曲線如圖10(b)所示,其與優(yōu)化結(jié)果接近,光能出射率達(dá)到93%,光能利用率為84%。表1為最優(yōu)化的照明參數(shù)、未經(jīng)反饋前仿真得到的照明參數(shù)以及反饋后仿真得到的照明參數(shù)。此種方法已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際新型高效LED道路照明光源中。與國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的同類產(chǎn)品的性能對(duì)比表明,新型高效LED道路照明光源在配光分布、能效、眩光控制等方面處于國(guó)際較高水平行列。實(shí)際道路測(cè)試表明,在顯色指數(shù)、照明均勻度和平均照度等均優(yōu)于高壓鈉燈的條件下,比市售高壓鈉燈節(jié)電50%以上,通過(guò)在戶外通用照明領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用展示了半導(dǎo)體照明光源在高品質(zhì)照明和節(jié)能減排方面的優(yōu)勢(shì),為國(guó)家“十城萬(wàn)盞”計(jì)劃提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ),使我國(guó)半導(dǎo)體照明光源制造技術(shù)在國(guó)際上占有了先機(jī)。5led光源的轉(zhuǎn)化室內(nèi)照明除了對(duì)燈具的色溫、顯色指數(shù)等要求較高外,還要求盡可能消除不舒適眩光。評(píng)價(jià)不舒適眩光的重要方式之一就是通過(guò)計(jì)算統(tǒng)一眩光指數(shù)(UGR)。UGR并不是評(píng)價(jià)某一套燈具的不舒適眩光程度的值,它是一個(gè)通過(guò)計(jì)算與產(chǎn)生眩光有關(guān)的各種參數(shù)得到的表征整個(gè)照明空間的不舒適眩光程度的值,對(duì)于照明各條件已知的情形,可采用UGR評(píng)價(jià)眩光,但對(duì)于燈具本身,UGR可操作性差。提出用光出射度來(lái)評(píng)價(jià)燈具眩光性,如LED光出射度在100lm/mm2,熒光燈光出射度在0.02lm/mm2。半導(dǎo)體照明光源應(yīng)用于室內(nèi)照明領(lǐng)域,其光出射度應(yīng)與熒光燈處于接近的水平。如何將LED點(diǎn)光源高效地轉(zhuǎn)化為均勻柔和發(fā)光的面光源是目前LED應(yīng)用于室內(nèi)照明領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)。另外,若LED面光源將多數(shù)LED封閉在內(nèi)部,加大了替換性難度,增加了維修成本。本課題組的技術(shù)方案是利用非成像光學(xué)設(shè)計(jì)具有一體微透鏡結(jié)構(gòu)的散光板,將LED發(fā)出的光均勻地散射成均勻亮度的面光源,并引入模塊化方案,每一個(gè)模塊均包含一片散光板、反光杯、LED陣列、外殼以及接頭。從LED陣列發(fā)出的光雜亂地入射至微結(jié)構(gòu)表面[如圖11(a)所示],不可能精確設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)曲面,但是鑒于多數(shù)光以小角度入射至微結(jié)構(gòu)表面,可按準(zhǔn)直光進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖11(b)所示,利用第3節(jié)中的反饋迭代方法消除較大角度入射光的影響。將微結(jié)構(gòu)裁剪為正六邊形,實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接[如圖11(c)所示],防止小角度光的泄漏影響散射效果。圖12為最終的面光源樣品,其由4個(gè)模塊組成,整燈的光能利用率為88.1%(針對(duì)-20°~+20°發(fā)光角的草帽型小功率LED),平均光出射度為0.046lm/mm2,與熒光燈的光出射度處于相同的量級(jí),有效地降低了眩光。6led照明機(jī)理高亮度特種照明(如舞臺(tái)投光燈)不僅要求光束角窄,而且要求光分布均勻度高、光學(xué)系統(tǒng)效率高。常規(guī)功率型LED具有180°朗伯型發(fā)光特性和一定的尺寸(約1mm×1mm),偏離理想點(diǎn)光源,使得同時(shí)實(shí)現(xiàn)均勻和準(zhǔn)直面臨巨大的挑戰(zhàn),已有的解決方案難以兼顧效率、均勻和準(zhǔn)直。根據(jù)以上提出的非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,在獲得逼近理論極限的出光均勻性和準(zhǔn)直特性的同時(shí),保證了系統(tǒng)的高效率,主要技術(shù)創(chuàng)新包括:1)提出了由多個(gè)光學(xué)曲面構(gòu)成的多種照度均勻的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其一為一體化的均勻準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng),通過(guò)采用具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性的、正N邊形的準(zhǔn)直透鏡封裝LED芯片,使得LED芯片出射的光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)后以較小的發(fā)散角度出射,形成定向發(fā)射的、正N邊形的面光源模塊;其優(yōu)點(diǎn)還表現(xiàn)在多個(gè)正N邊形照明模塊可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫拼接,從而獲得滿足實(shí)際需要的大光通量照明光源。其二為復(fù)合式的均勻準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng),如圖13所示,LED(121)發(fā)出的光經(jīng)一次光學(xué)透鏡(122)與二次光學(xué)透鏡(120)的光束整形,均勻準(zhǔn)直地從出射平面(123)出射;圖13(b)為通過(guò)將(a)制造成六角形,而形成的具有均勻準(zhǔn)直特性的可無(wú)縫拼接的照明光源模組。通過(guò)上述創(chuàng)新,在保證出光均勻性和準(zhǔn)直度的前提下,將LED高亮度光源的效率提高到86%以上,已