[01772284]基于非成像光学的功率型LED二次光学系统研制及其在路灯照明上的应用

发挥中国在封装、模组与灯具等半导体照明下游产业的相对优势，集中力量研发若干种市场需求大的照明和显示产品，快速打开半导体照明应用市场，从而推动中国半导体照明技术的整体进步，已经成为中国半导体照明产、学、研各界的共识。然而，半导体照明产品的研发面临包括光学、热学、驱动、装配制造工艺等方面的技术壁垒，特别是传统常规封装的高亮度、小光通功率型LED发光远场分布所具有的朗伯特性，造成眩光、光能利用率不高等问题，使得功率型LED照明产品的节能潜力没有在通用照明界得到认同。该研究小组在国家“十五”、“十一五”863计划、北京市科学技术委员会重大项目的支持下，紧紧围绕半导体照明中核心的系统级光学设计问题，做出了一些突破性进展，并申请中国发明专利11项，发表国内外核心期刊论文20篇，培养了多名硕士和博士研究生。主要的突破性进展如下：(1)为精确模拟光学系统对功率型LED发光远场分布的整形能力，提出了两种功率型LED的芯片模型，模型Ⅰ是具有完全漫反射分布的面光源，模型Ⅱ考虑到LED各外延层结构；采用蒙特卡罗光子追踪法对LED封装光学系统进行数值模拟，并将理论结果与实验结果进行对比。结果表明，模型Ⅱ可获得更优的精度，同时，蒙特卡罗光子追踪法是有效的理论模拟工具。(2)为解决扩展光源应用于二维旋转对称光学系统的非成像光学系统设计问题，首次提出了一种新型的基于理想点光源描点法的补偿设计方案。首先，利用面向理想光源的描点法设计，计算得到表征二维系统和旋转对称系统之间关系的补偿系数，然后用这个补偿系数对面向条形光源的设计过程进行补偿，以得到相应的旋转对称系统设计。该报告分别就给定照度分布问题和给定光强分布问题推导了补偿系数的表达式，并应用补偿法分别设计实现了具有均匀照度分布和线性光强分布的光学器件。结果表明，相对于已经提出几种解决方案，这种新的设计方法具有物理概念清晰、适用范围广泛、运算速度快等优点。同时，该报告从理论上证明了应用上述设计理念实现可拼接LED模组的可行性。(3)该报告首次提出了从点光源发出的光线和给定光分布之间建立一一对应关系的分离变量映射，从而设计非成像光学系统的方法，并提出采用不连续表面的方法有效控制法向矢量的误差。该设计方法具有物理概念明确，计算速度快等优点，可以解决许多复杂的给定光分布问题。同时，面向LED实际应用，针对扩展光源设计，提出了具有上下容限的照度值反馈修正方法，具有收敛快、效果好的特点，并真正在实际中得到了应用。(4)针对功率型LED应用于城市道路照明光源，提出了先进的功率型LED二次光学系统设计理念，即将每颗功率型LED的输出光分布设计成与道路照明标准规定面积一致的均匀矩形的照度分布。同时，利用上述三维非成像光学设计方法获得了自主知识产权的、具有该特性的二次光学系统，并成功地向东莞勤上光电股份有限公司进行了技术转移。矩形均匀照度分布的功率型LED路灯的产业化和大规模的应用已经产生了很好的经济和社会效益，首次以产业化成果、科学实验雄辩地证明了在城市实际照明系统中、在同等照明效果的前提下半导体照明可以节省50%的耗电量，展示了半导体照明的优异节能能力。该课题的重大研究成果矩形照度分布的功率型LED二次光学系统已经在东莞勤上光电股份有限公司得到了大规模的应用，矩形照度分布功率型LED路灯已经批量生产，并产生了很好的经济效益和社会效益。该课题的其他成果也在其它室外照明灯具、室内通用照明、LCD背光源以及LED显示屏等诸多领域具有广阔的应用前景。特别是，一旦功率型LED封装产品的许多技术问题，包括色品的一致性问题等得到有效解决，该课题的可拼接的LED照明系统设计思路以及相关的二次光学系统就可以大规模地应用于室内照明系统。室内照明的预期市场更大，具有更大的经济和社会效益。