（光学专业论文）led照明系统的研究和设计.pdf

摘要 摘要 发光二极管l e d 具有功耗低、体积小、寿命长、无红外辐射等特点，是一 种节能环保的绿色光源，在照明系统的应用中有着传统光源不能替代的优点。 但是由于l e d 的外形和发光特性和传统光源有着很大的不同，使得现有的许多 照明系统无法应用于l e d ，因此对l e d 照明系统的深入研究是必要而有意义的。 本文针对l e d 照明系统及其设计理论进行了研究，其主要工作如下： 1 针对应用在照明系统中的l e d 光源进行了研究，总结了l e d 的发光原理 和光学特性，探讨了l e d 照明系统选择l e d 光源的理论依据，并给出了 l e d 照度分布和光通量的计算方法。 2 针对l e d 照明光学系统，研究了应用于点光源和应用于扩展光源的设计理 论和方法。重点论述了包括光学扩展量和边缘光线原理的非成像光学理论。 并研究了一种非成像光学设计方法一s m s 设计方法。 3 基于非成像光学理论，应用s m s 设计方法设计了微型投影系统中的l e d 聚光器。提出了创新的“折叠光”四曲面结构，运用l i g h t t o o l s 软件对设计 结果的仿真表明，与现有聚光器相比，聚光器光能利用率提高了近2 0 ， 在相同输出口径下，纵向尺寸减小了四分之三。 4 推导和完善了l e d 阵列通过透镜阵列聚光后的光强分布公式，并以此为基 础设计了铁路信号机中的l e d 照明光学系统。经实验测试，样品达到国家 规定的信号机相关的发光强度、发散角、发光口径等光学性能指标，且理 论设计与实验结果一致。 关键词：l e d 照明系统非成像光学s m s 设计方法聚光器l e d 阵列铁路信 号机 a b s t r a c t ab s t r a c t l i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) h a st h ea d v a n t a g e so fl o wc o n s u m p t i o n , s m a l ls i z e ， l o n gl i f e t i m ea n dn oi n f r a r e di r r a d i a t i o n , t h e r e f o r e ，i sa l le n v i r o n m e n tf r i e n d l yl i g h t s o u r c e l e di sm o t ea d v a n t a g e o u si ni l l u m i n a t i o ns y s t e mt h a no t h e rl i g h ts o u r c e s h o w e v e rc o m p a r e d 、历t 1 1t r a d i t i o n a ll i g h ts o u r c e si th a sd i f f e r e n tf i g u r ea n do p t i c a l p r o p e r t i e sw h i c hm a k ei td i f f i c u l tt oa p p l ys o m ec u r r e n ti l l u m i n a t i o ns y s t e m st ol e d ， s oi ti sn e c e s s a r ya n dm e a n i n g f u lt od e e p l ys t u d yi t i nt h i sp a p e r , l e di l l u m i n a t i o n s y s t e ma n di t sd e s i g nt h e o r ya r es t u d i e d ；t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 l e ds o u r c ei ni l l u m i n a t i o ns y s t e mi ss t u d i e d f i r s t l y ，t h el u m i n e s c e n tm e c h a n i s m a n do p t i c a lp r o p e r t i e so fl e da r es t u d i e d i na d d i t i o n , t h et h e o r e t i c a lb a s i so f c h o o s i n gl e d i ni l l u m i n a t i o ns y s t e mi sd i s c u s s e d ，a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o d s o fi l l u m i n a n c ea n dl u m i n o u sf l u xa r ep r e s e n t e d 2 。a c c o r d i n gt ol e di l l u m i n a t i o ns y s t e m , t h ed e s i g nt h e o r ya n dm e t h o da p p l i e dt o b o t hp o i n t o l i t ea n de x t e n d e dl i g h ta r es t u d i e d f u r t h e r m o r e ，n o n i m a g i n go p t i c s i sd e s c r i b e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h el i t e n d u et h e o r ya n dt h ee d g e r a yp r i n c i p l e i n t h ee n d ，ad e s i g nm e t h o do fn o n i m a g i n go p t i c s - - - t h es i m u l t a n e o u sm u l t i p l e s u r f a c e s ( s m s ) d e s i g nm e t h o di ss t u d i e d 3 o nt h e b a s i so fn o n - i m a g i n go p t i c s ，ac o n c e n t r a t o ra p p l i e dt om i c r o p r o j e c t o r i l l u m i n a t i o ns y s t e mi sd e s i g n e du s i n gs m sd e s i g nm e t h o d t m so p t i c a ls y s t e m e m p l o y sf o l d i n gb e a mp a t ha n df o u rs u r f a c e ss t r u c t u r e s i m u l a t i o nr e s u l t sf r o m s o f t w a r el i g h t t o o l si n d i c a t et h a tc o m p a r e d 、析t ht h ee x i s t i n gc o n c e n t r a t o r , t h e d e s i g n e do n ee n h a n c e st h el i g h tu t i l i z a t i o nr a t eb yn e a r l y2 0 ，a n dr e d u c e st h e l e n g t hb y3 4u n d e rt h es a m ei r r a d i a n c ec a l i b e r 4 i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h el i g h tt h a tc o m e sf r o ml e da r r a ya n dc o n c e n t r a t e db y l e n sa r r a yi sf i g u r e do u t a l s ot h er a i l w a ya n n u n c i a t o r si l l u m i n a t i o ns y s t e mi s d e s i g n e d a f t e rt e s t i n ge x p e r i m e n t , t h es a m p l ef u l f i l l st h en a t i o n a ls t a n d a r d s i n c l u d i n go p t i c a lp e r f o r m a n c ed e m a n d so fl i g h ti n t e n s i t y ，d i v e r g e n c ea n g l ea n d i r r a d i a n c ec a l i b e r ，e t c i na d d i t i o n , t h ee x p e r i m e n tr e s u l tj u s t i f i e st h ef o r e g o i n g c a l c u l a t i o ni nt h e o r y i i a b s t r a c t k e yw o r d s ：l e di l l u m i n a t i o ns y s t e m ；n o n - i m a g i n go p t i c s ；s m sd e s i g nm e t h o d ； c o n c e n t r a t o r ；l e da r r a y ；r a i l w a ya n n u n c i a t o r i l l 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 关亥妥曼 幻口苫年g - 月厶蚤日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 要雹怨 l 口l 习年0 月“e t 第一章绪论 第一章绪论 第一节半导体照明的发展背景和意义 “绿色照明”是上世纪九十年代初国际上对节约电能、保护环境的照明系 统的形象说法。绿色照明是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安 全和性能稳定的照明电器产品，改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量， 从而创造高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。 许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程计划，并取得了 显著效果。现在，照明的质量和水平己成为人类社会现代化程度的一个重要标 志之一，成为人类社会可持续发展的一项重要措施【l 】。 作为固体光源的l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) 又称发光二极管，真正点燃了“绿 色照明 的光辉，被认为是2 1 世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯 成为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命。节能、环保是未来社会 工业发展的主流、“绿色照明的重要标志，而l e d 照明在这两方面都极具发展 潜力。普通的白炽灯采用的是热发光技术，它以发热的形式浪费了9 0 的能源， 而l e d 照明灯属“冷光源，其耗电量只是同等亮度白炽灯的十分之一。l e d 照明应用大大节约能源的同时，还将减少二氧化碳的排放量和荧光灯的汞污染。 据测算，1 9 9 8 年全球照明共消耗2 3 0 0 亿美元的电力，同时在发电过程中还产生 4 1 亿吨二氧化碳气体，而假如到2 0 2 5 年有一半的普通光源被l e d 照明取代， 那就意味着全球每年将节约电费1 0 0 0 亿美元，并减少3 5 亿吨二氧化碳的排放。 除节能环保外，l e d 照明还具有无频闪、无红外和紫外辐射、光色度纯等优点， 是当之无愧的绿色光源。因为是以半导体为材料，它还具有小型化、长寿命， 以及免维护、易控制等优点，这种灯泡的寿命可连续使用1o 万小时，可以达到 普通白炽灯的1 0 0 倍。 半导体照明给人类展示了无限美好的未来，全世界也对l e d 照明的应用前 景寄予厚望。据报道，全球2 0 0 0 年白炽灯及荧光灯的市场规模约为4 3 亿美元， 同年半导体照明产业的市场规模为1 1 8 亿美元，且近年保持4 0 的增长速度。 2 0 0 2 年美国光电工业发展协会预计，半导体灯将于2 0 0 7 年替代白炽灯。科学家 也预测，按照目前的技术水平和发展趋势，在未来的5 年至1 0 年，这种灯泡很 第一章绪论 可能成为下一代照明的主流产品【 。 我国科技部有关领导也已提出：我们要以2 0 0 8 年北京奥运会和2 0 1 0 年上海 世博会为契机，推动半导体灯在城市景观照明的应用。科技部“国家半导体照 明工程计划2 0 0 7 年半导体照明逐步取代白炽灯，2 0 1 2 年后取代荧光灯。据预 测，在汽车尾灯、交通灯、公共设施以及家庭照明需求的带动下，2 0 0 3 2 0 0 7 年 我国高亮度发光管芯市场规模保持年均将近2 5 的增长速度，2 0 0 7 年我国高亮 度l e d 管芯市场规模已突破2 0 亿元【8 ，9 】。 发展半导体照明产业是关系到我国未来经济发展的战略选择。到2 0 0 2 年年 底，我国己是仅次于美国的第二发电大国，2 0 0 2 年的发电总量为1 6 5 万亿千瓦， 其中1 3 4 万亿千瓦为火力发电，仅照明用电就占发电总量的1 2 ，约2 0 0 0 亿 千瓦，而且目前仍以每年5 至1 0 的速度增长，控制照明用电的速度增长对缓 解我国电力供应不足将大有益处。同时，火力发电每年需要燃烧大量的原煤和 石油，产生大量的粉尘和二氧化碳、二氧化硫气体，造成严重的环境污染，在 全国3 0 0 0 个污染大户中，电力占了4 5 。发展半导体照明绿色产业将在一定程 度上缓解我国能源相对短缺、污染日益严重的局面，对国民经济可持续发展战 略具有重大意义【7 1 。 第二节半导体照明的发展历史和趋势 作为2 1 世纪照明新光源的发光二极管l e d 已经经历了4 0 多年的技术发展。 最早应用半导体p n 结发光原理制成的l e d 光源要追溯到上一世纪6 0 年代初。 当时所用的材料是g a a s p 、发红光( 峰值波长6 5 0 纳米) 。当驱动电流为2 0 毫安 时，l e d 的光通量只有千分之几流明、发光效率仅有0 1 流明瓦。7 0 年代初期 到中期，发光半导体技术进展飞速，光效提高到1 流明瓦，而且发出其它颜色 的l e d 光源也相继面世，覆盖了从红色到黄、绿色的主要光谱范围。到8 0 年代 初，出现了g a a i a sl e d 光源，使得8 0 年代后期时，红色l e d 的光效已经达到 1 0 流明瓦。在9 0 年代初，两种新材料的l e d 光源被开发出来，即发红光、黄 光的g a a i i n p 和发绿、蓝光的g a l n n ，这两种材料的开发使l e d 的光效进一步得 到大幅度提高。到2 0 0 0 年时，前种材料被做成的l e d 在红、橙区( 6 1 5 纳米) 的光效达到1 0 0 流明瓦，而后者制成的l e d 在绿色区域( 5 3 0 纳米) 的光效为5 0 流明瓦。 2 第一章绪论 新型可见光l e d 的发光材料是以a 1 g a l n p 和g a n 为主。发展趋势主要是实 现全彩、提高亮度、改进封装、显示大型化、材料外延生长的新技术实现产业 化。金属有机化合物、汽相淀积( m o c v d ) 法的晶体生长工艺己经成为当代开发、 生产新型l e d ，实现全彩化、高亮化的关键技术【1 0 , 1 1 】。 1 全彩化：实现全彩化的一大难题是实用化的可见光l e d 中缺少蓝色，因 为要实现全彩( 包括白色) 显示，必须要有红、绿、蓝三基色，因而蓝色l e d 的 发展一直受全彩显示所驱动。多年来，日本、美国等国都在极力研究开发蓝色 l e d 。1 9 9 4 年日本日亚公司首先成功的开发了蓝色l e d 主要应用于全色显示屏， 现在能够销售蓝色l e d 的厂商也只有日本日亚公司和美国g r e e 公司几家。改善 蓝色l e d 的晶体材料质量，提高发光效率，降低生产成本仍是今后发展的主要 目标。蓝色l e d 刚问世时候售价高达5 0 美元1 只。随着生产技术的不断改进， 目前低亮度的蓝色l e d 价格已降到1 美元只，今后随着技术的成熟，价格将会 继续下跌。预计到2 0 1 0 年蓝色l e d 的亮度将和红色、橙色、黄色、绿色l e d 不 相上下，而且售价只有5 美分只。 2 高亮化：目前全球l e d 的产值中高亮度产品约3 0 。至2 0 0 5 年，全球l e d 的总产量突破3 8 4 6 亿美元，其中高亮度产品，每年都有大约3 0 的增长，至于 中低亮度的产品增长率不会超过5 。再者超高亮度( 法向光强超过1 0 0 0 m c d ) 的 红、橙、绿、蓝色l e d 产品己进入市场，使一些户外广告板、超大型屏幕、交 通指示灯、汽车尾灯、刹车灯、方向灯等应用在扩大。 3 大型化：这是为了满足大屏幕显示器这一应用领域的需求。可见光l e d 之所以会出现这一发展趋势，主要是因为与液晶显示器相比，l e d 可以以并联的 方式联结在一起，不受尺寸大小的限制，而且l e d 本身可发光。对于一些需配 备大尺寸的产品而言，更希望一些大型化的l e d ，目前显示屏的最大尺寸己经达 到1 0 1 5 m 2 。 4 封装小型化：封装小型化主要是指适合于表面安装的l e d 品种增多。表 面安装l e d 为带盘式的封装，卷盘尺寸大约为1 1 7 8 m m ，可以容纳大约2 0 0 0 只 l e d 管芯。大部分尺寸2 9 1 3 m m 2 ，最新的表面安装l e d 产品将采用专有的“模 制内部连接装置技术”，使用高效反射外壳，保证了亮度，还适合于回流焊接。 表面安装l e d 已成为封装小型化的主流和发展方向。 第一章绪论 第三节半导体照明系统设计的发展现状 l e d 的迅猛发展和广泛应用促进了半导体照明系统的发展。但l e d 光源目前 仍有着光输出低、发散角大的光学特性，这些特性使l e d 往往不能直接应用于 照明，而需要合适的照明系统以满足指定的照明要求。照明系统解决了l e d 光 能量的收集问题并实现预先指定的光分布。新光源的出现必然会带来照明系统 设计理论的调整和发展，半导体光源的特殊光学特性同样是对传统照明系统设 计的一大挑战。目前，应用于半导体照明的光学系统设计主要分为两种处理方 法： 1 应用成像光学理论进行设计。成像光学一直是传统照明系统的主要设计 理论，它直接采用具有物象共轭关系的成像光学结构收集光源发出的光束，实 现照明面上的预定光分布。一般来讲物象共轭设计方法只能应用在点光源照明 系统设计，对于l e d 光源这样的面光源其设计结果不会很理想。所以只有在l e d 光源可以近似为点光源的照明系统中，应用成像光学理论进行设计才能得到满 意的结果。 2 应用非成像光学理论进行设计。当要求照明光学系统的总体积比较小、 结构比较紧凑时，光学器件的尺寸并不能远远大于l e d 光源的尺寸。在这种情 况下，使用面向点光源的设计方法得到的光学系统的性能必然会发生恶化，而 面向扩展光源的非成像光学设计方法很好的解决了这个问题。非成像光学最初 被应用在太阳能收集领域，其基本设计思想是边缘光线原理。在非成像光学器 件中，最典型就是复合抛物面聚光器( c p c ) ，它是根据边缘光线原理对两个抛 物面结构进行了重组而具有最大理论会聚比的聚光器，目前广泛应用的非成像 照明光学系统都是在c p c 基础上的演变。 随着l e d 亮度的不断提高，l e d 光源的应用领域越来越广泛，目前的照明系 统以及设计方法逐渐暴露出一些问题和局限性： 首先，高亮度l e d 越来越多的被应用在微型光学系统中，例如微型投影系 统等，这就要求有微型化的照明光学系统与之相匹配。在这些微型照明系统中 l e d 作为面光源、发散角大等光学特性越发的显著，对于照明系统的设计要求很 高。目前，在这些照明系统中广泛使用的非成像光学结构仍是c p c ，虽然它能很 好的处理扩展光源，但其缺点是出射光束发散角和器件尺寸成反比。对于同时 要求有良好聚光性能和结构小型化的微型照明系统来讲，c p c 结构往往不能兼顾 设计角度内的光能收集率和照明系统的几何尺寸。 4 第一章绪论 其次，目前的单片l e d 的亮度水平相对还很低，这使得l e d 阵列结构在照 明系统中的应用越来越多。至今l e d 阵列的设计方法大多是采用软件仿真或实 测法得出不同阵列参数下的照度分布，再决定是否改变阵列参数直到其符合设 计指标。这种不断的“验证式设计往往费时费力，也不大可能得到最优的照 明系统。所以能否得出准确的l e d 阵列照度分布公式，以便指导l e d 阵列的设 计是很有意义的研究方向。 第四节本文的主要研究内容 本文针对l e d 照明系统的组成及其设计理论进行了研究。应用最新的非成 像光学设计方法，设计了一款微型投影系统中的l e d 照明系统：推导了l e d 阵 列的照度分布公式，并以此为指导设计了高亮度l e d 阵列铁路信号灯系统。其 中具体的研究内容如下： 1 针对应用在照明系统中的l e d 光源进行了研究，总结了l e d 的发光原 理和光学特性，探讨了l e d 照明系统选择l e d 光源的理论依据，并给出了l e d 照度分布和光通量的计算方法。 2 针对l e d 照明光学系统，研究了点光源和扩展光源的设计理论和方法。 探讨了计算机辅助设计下的l e d 照明系统的设计步骤。重点论述了包括光学扩 展量和边缘光线原理的非成像光学理论。并研究了一种非成像光学设计方法一 一s m s 设计方法。 3 基于非成像光学理论，应用s m s 设计方法设计了微型投影系统中的l e d 聚光器。提出了创新的“折叠光 四曲面结构，运用l i g h t - t o o l s 软件对设计结果 的仿真表明，与现有聚光器相比，聚光器光能利用率提高了近2 0 ，在相同输 出口径下，纵向尺寸减小了四分之三。 4 推导和完善了l e d 阵列通过透镜阵列聚光后的光强分布公式，并以此 为基础设计了铁路信号机中的l e d 照明光学系统。经实验测试，理论设计与实 验结果一致，达到国家铁路信号灯的技术指标。 5 第二章l e d 发光原理及光学特性 第二章l e d 发光原理及光学特性 第一节l e d 基本原理 2 1 1l e d 发光机理和结构 发光二极管是由p 型和n 型半导体组成的二极管。发光二极管的发光原理可 以用p n 结的能带结构来解释【1 2 1 。在l e d 的p n 结附近，n 型材料中多数载流子是电 子，p 型材料中多数载流子是空穴。p n 结上未加电压时构成一定的势垒，当加正 向偏压时，在外电场作用下，p 区的空穴和n 区的电子就向对方扩散运动，构成 少数载流子的注入，从而在p n 结附近产生导带电子和价带空穴的复合，同时释 放出相对应的能量h v ( h 为普朗克常数，为光子频率) 而发光。 p n 结发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率。p n 结半导 体材料相对于空气有较高的折射率，因此半导体内部发出的光子只有极少数能 逸出半导体材料与空气的界面，大多数被反射回半导体内部，最终被吸收。为 了提高逸出效率，可以选择不同的封装材料，封装几何形状。这样，从芯片透 出的光子首先进入封装透镜，然后再逸出，因为封装材料的折射率在半导体材 料和空气折射率之间，因此光子逸出率大大提高。同时，封装透镜还起到保护 半导体芯片和控制输出光分布的作用。 图2 1 典型的发光二极管结构 典型的发光二极管结构如图2 1 所示，其中包括三个关键结构：首先是l e d 6 第二章l e d 发光原理及光学特性 芯片。其次是芯片所在的金属罩，这个金属罩既是电极，又是散热器，而且还 作为反射镜用来收集光线能量。最后是上面提到的集成照明透镜或封装。 2 1 2白光l e d 半导体照明光源是2 1 世纪最有发展前景的，且有可能成为替代白炽灯、荧 光灯的新型固体光源。众所周知的是，光谱范围覆盖可见光光谱区的白光光源 在照明应用中占有最重要的地位，同样半导体照明光源的发展绕不开白光l e d 的研究。但是半导体材料的发光机理决定了单一l e d 芯片不可能发出连续光谱 的白光，必须以其他方式合成白光。所以说1 9 9 6 年出现的白光l e d 1 4 】，是照明 发展史上的重要里程碑。 目前产生白光的方式有两种：一是用单色光激发荧光粉发出白光，即单芯 片型；二是采用将几种不同色光的芯片封在一起，构成发白光的l e d ，即多芯 片型。表2 1 表示了白光l e d 的发光原理和类型1 2 j 。 表2 1 白光l e d 类型及其原理 白光l e d 与白炽灯相比，是一种固体冷光源，辐射主要集中在可见光区， 几乎不产生热，也消除了非可见光区电磁波对人的危害；与荧光灯相比，白光 l e d 的制造和使用过程都不会引入汞的污染；与叠有许多线状光谱的荧光灯光 谱相比，白光l e d 的连续光谱更接近自然光；白光l e d 能耗仅为白炽灯的八分 之一，荧光灯的二分之一；白光l e d 的寿命可达1 0 万小时，是传统荧光灯的 5 卜1 0 0 倍，这些对环境保护和节约能源具有重要意义。 2 1 3l e d 应用于照明的优缺点 发光二极管是一种极具竞争力的新型节能光源，未来数十年它将逐渐取代传 统照明光源。之所以l e d 在照明领域具有如此大的发展潜力，是因为它同传统 7 第二章l e d 发光原理及光学特性 光源相比，具有很多令人振奋的优点【1 2 ，13 1 。 表2 2l e d 灯与传统灯性能对比 名称 耗电量( 硼工作电压c v l 协调拄翎发热量可靠性使用寿命( h ) 钨丝灯1 5 2 0 0 2 2 0 高高低 30 0 0 节能灯 3 1 5 02 2 0 不直调光低低 5o 金属卤素灯l2卸 不易极高低 3o 麟5 较高高 高宜室内 3o 镁氖灯1 6 咖 2 2 0姗 较高蝴 6 嘲 日光灯4 1 0 0 2 2 0 不易 较高 低 50 0 0 一g0 0 0 拎阴极 1 5 w 加需逆变较好较好较低 1 00 0 0 l e d 灯极低很低多种形式极低极高l 0 表2 2 列出了l e d 光源相比传统光源的优越性。我们可以总结为以下几个 具体方面： 1 节能：l e d 能量利用率高。按照通常的光效定义，l e d 的发光效率并不 高( 一般1 0 3 0 l m w ，目前己知的最高光效可达5 5 1 r r 删) ，但由于l e d 的光谱几 乎全部集中于可见光频段，效率可以达到8 0 9 0 ，而光效差不多的白炽灯可见 光效率仅为1 0 - - 一2 0 。 2 环保：与白炽灯等光源的全频段光谱不同，典型的l e d 光谱狭窄，几乎 没有紫外线和红外线，故没有多余的能量辐射。由于采用电致发光的原理，没 有有害金属汞污染问题，废物可以回收，并且冷光源发热量较低。l e d 属于典型 的绿色照明光源。 3 安全：l e d 使用低压电源，比较适用于公共场合。 4 可靠：l e d 具有坚固，耐震，耐冲击等特性，光源稳定性好。 5 适用性好：体积小，重量轻，每个单元l e d 芯片是1 - - 一5 m m 的正方形， 因此可以封装成各种形状的器件，适合于易变的环境。 6 响应时间短：白炽灯的响应时间为毫秒级，而l e d 的响应时间为纳秒级， 因此可以高频操作。 7 寿命长：光通量衰减到7 0 的标称寿命为十万小时。 看到优点的同时，也应看到l e d 的发光机理决定了它应用于照明的一些缺 点。如前所述，l e d 是典型的面光源，如果没有封装透镜和反光罩的作用( 通 常被称为一次光学设计) ，其发光特性接近于朗伯体。事实上即使有上述一次光 学设计，目前的大部分l e d 光源发光半角仍然很大，不能直接用于照明系统。 第一章l e d 技光原理及光学特性 这时就需要对l e d 光源进行后续的照明光学系统设计r 被称为l e d 二次光学设 q , t ) 以达到照明设计指标。其次，目【| i f 的l e d 光源与一些传统光源相比光输出 仍然很小。这意味着要在照明中实现特定区域的高亮度，二次光学设计不仪要 有优秀的聚光能力而且要尽i ，t 能的提高系统的光能收集率。 第二节高亮度l e d 光源 2 0 世纪7 0 年代丌始，l e d 光源逐渐取代其他光源应用在多种经济领域。但多 年以柬，发光效率低越柬越成为限；h 1 l e d 光源发展的大因素，提高发光被率可 以用同等的能量消耗换柬生高的光输出。最近十年，高亮度化，全色化一直是 l e d 材料和器件工艺技术研究的前沿课题，日前，半导体) 匕源的发j 匕效率已经有 了很大的提高，白光l e d 的发光效半己经超过白炽灯的2 0 1 m w ，个别单色l e d 已经达到了更高的水平【】”。同时随着驱动电源和热沉积技术的发展，l e d 光源 的功率也有了很大提高许多单l e d 光源都达到了瓦量级。这些技术进步带柬了 超高亮度( u h b ) l e d 的发展。世界上许多围家和地区已川始_ 超高亮度l e d 取 代n 炽纠、令属卤钨广泛用作交通信号灯、警示灯、标志削、汽车、轿乍 上的高位刹车灯、尾灯、转同灯及仪表盘的照明和显不等。 本节介绍两种超高亮度l e d 。t 6 , 1 “，它们主要应用在对光输出要求较高的照 明领域，例如l e d 投影光学系统。 l u m i l e d s 研发的高亮度l e d 发光效率已经达到了8 0 1 m w ，图22 就是 l u m i l e d s 公司的l u x e o n 。e m i t l e r 系列l e d 的结构| 墨i 。可以看到，此高亮度 l e d 不采j = | j 金属罩，直接通过集成照明透镜用光能损失小的全反射和折剿乃法 收集芯片上发出的光覆盖在芯片上的透镜1 q - 质是环氧树脂。这样的封装结构 中，l e d 光源的发光半角很大，可以近似为一个朗伯发光体； 图22l u x e o n 4e t r f i t l e r 系州l e o 的结构吲 9 第一章l e d 发光原理及光学特性 o s r a mt _ | 三产的高亮度绿光l e d 的光效达到了8 6 1 m w 。并且开发了一种将三 色l e d 集成为一块白色l e d 的o s t a r 。p r o j e c t i o n ，其中集成了红、绿、蓝、 三种高亮度l e d ，其发光效率分别为5 5 1 m w ，8 6 1 m w 1 05 1 m w 。这款l e d 专用与投影显示系统中。结构大小为21 21 m m 2 ，三色集成的l e d 结构图如 下图2 3 所示。 阔23 三色集成l e d 结构图 超高亮度l e d 虽然光输出大、亮度高，但发光半角也大，而且芯片面积往 往不能忽略，想要达到满意的聚光能力，对于后续的照明系统要求报高。照明 系统的设计不能采用传统的面向点光源没计方法，而心该戍用面向扩展光源的 非成像光学设计方法。 第三节l e d 的光学特性 23 1l e d 光强分布特性 在照明光学系统中，光源的光分布是后续光学系统选择的主要出发点和依 据。照明光源的光分却特性一般用其周围宅间的光强分布( 称为配光特性) 或 用与照明光源轴线垂直或平行的假想平面上的照度来c 兑明。如果照明光源的尺 寸比其与被照面的距离小很多，光源可以被看成点光源，那么用发光强度来表 明光分布是足够准碲的。如果当光源的大小和其到观察点之间的距离相比4 i 是 很小时，人们称该光源为扩展光源，不能直接用光强的概念柬捕述，需要借助 亮度来描述。 光强空旬分布特性是用配光曲线柬表示，一般分为极坐标法和直角坐标法 束表示曲线。 第二章l e d 发光原理及光学特性 图2 4 配光曲线 3 矿6 矿9 0 1 极坐标配光曲线。在通过光源中心的测光平面上，测出照明器在不同角 度的光强值。从某一给定方向起，以角度为函数，将各个角度的光强用矢量标 注出来，连接矢量顶端的连线就是照明光源的配光极坐标曲线。如图2 4 左半部 分。对于旋转对称的光源，在与轴线垂直的平面上各方向的光强值相等，因此 只用通过轴线的一个测光面上的光强分布曲线就能说明其光强在空间的分布。 如果照明光源在空间的分布是不对称的，则需要用若干个测光平面中的光强度 分布曲线来说明空间光分布。 2 直角坐标配光曲线。有些光束集中于狭小的立体角内的照明光源，用极 坐标难以表达清楚时，就用直角坐标表示，以纵轴表示光强，以横轴表示光束 的投射角，用这样的方法绘制的曲线称为直角坐标配光曲线。如图2 4 的右半部 分。 l e d 芯片可以近似一面光源，在没有集光光学器件的情况下，其各个方向 上的光亮度都近似一致。满足朗伯定律的l e d 光源极坐标配光曲线近似为圆形， 如图2 5 所示。在有集光光学器件的情况下，根据其配光曲线可以得到光源的半 强度发散角、中心光强等参数，同样从配光曲线能够估算出光源的总光通量。 喇咣 吼 涨 珊 矾 嘿 _ 1 第二章l e d 发光原理及光学特性 一黼 图2 5 满足朗伯定律的l e d 配光曲线 根据光强度的角分布可以把l e d 光源分为三类： 1 高指向型。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射 剂。半强度角为5 2 0 度或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用。 2 标准型。通常作指示灯用，其半强度角为2 0 - - 4 5 度。 3 散射型。这是视角较大的l e d 光源，半强度角为4 5 叫0 度或更大，没有 过多考虑聚光设计的一次封装，多见于高光通量的l e d 。 2 3 2l e d 光谱特性 典型的单色l e d 光源光谱狭窄，几乎没有紫外和红外线，非常适合于实际 的照明设计。所以l e d 光源可以很好的满足照明设计中对于照明光源的光谱特 性的细致要求。这些要求诸如铁路信号机要分为红色、绿色、黄色、蓝色、白 色五种信号灯，而每种灯要求光源有一个特定的光谱分布；还有一些照明光源 是由多色l e d 配色得到的，每种l e d 的光谱范围也会有一定的要求【l8 1 。总之， 对于照明面给出的色度要求，必须选择对应的具有特定光谱分布的l e d 光源。 光源的光谱特性可由供应商提供或由光谱仪测量。图2 6 所示为一个l e d 系列 光源的光谱特性【l6 1 ，图中共标出了七种颜色的l e d 光谱分布。 1 2 第二章l e d 发光原理及光学特性 c o ：口 3 口 亡= 罚 口 i v n 黜、八。f 罗f v r e 良 ) 8 0 r ，o 州6 e h r j y a l f f 仃j 【鞠咀e rf b l u e f ) 6 i ) 4 n 、 ，八、yi 川 r e d ) 2 j 。； | | 汀 3n 2 慰 o 发n 4 0 04 5 06 0 06 5 0 6 0 06 5 07 0 0 w a v e le n g t h ( n r r l ) 图2 6l u x e o n e m i t t e r 的光谱特性 2 3 3l e d 发光效率 光源所发出的光通量和它所消耗的电功率之比，称为发光效率。发光效率 与l e d 光源的光输出密切相关，是照明系统选择l e d 光源的关键因素，更是半 导体照明产业发展进程中的关键指标。明确并信赖其发展前景，对l e d 照明领 域的从业者十分重要。发光效率k 表示为： k ：罢 ( 2 1 ) 西。 k 的单位为流明每瓦( ) 。 照明系统中l e d 光源的选择需主要考虑l e d 光强分布特性、光谱特性、发 光效率这三种光学特性。 -o石也一母扫u西o；母一。叱 第三章l e d 照明系统设计理论 第三章l e d 照明系统设计理论 l e d 照明系统，顾名思义指的是采用l e d 作为光源的照明系统。照明系统 是光学领域内一个重要的分支，它的设计应用在很多领域，如室内照明、交通 信号灯、汽车照灯、投影系统、激光泵浦源系统等等。严格说来，照明系统属 于非成像系统，虽然照明系统在设计时也会采用一些传统成像理论，但它与一 般成像系统有着许多不同【1 9 加】。 照明系统一般要考虑光源的特性，光源的特性决定照明系统的设计，而系 统需要照亮的往往是一个立体空间。而一般成像系统不考虑物方空间的亮度分 布，在像方往往是成一个平面像；照明系统其形成经常是多种多样的，各光学 面可以无序排列。一般成像系统虽然可以非常复杂，但经常可以把其中的各光 学面作有序排列，所有光线均按此顺序逐一通过各面；照明系统在照明区域中 任意一点的照度看成由光源上许多点发出的光能通过照明系统分配后叠加形成 的，用光照度图和空间光强分布图进行评价。一般成像系统物像空间有着相应 的点与点对应的共轭关系，故可在视场中心和边缘选取几个抽样点，追迹光线 到相应的像点，用垂轴像差、点列图或光学传递函数对系统的成像质量进行评 价。总之，照明系统注重的是光能量的传输与分配而非光学信息的传递。 照明系统一般由三部分组成：光源、光学系统、照明平面。每一个照明系 统的设计都应该围绕这三个方面进行。首先要选择合适的光源，选择依据是光 源的特性( 包括光学特性和形状等) 和设计指标相匹配。然后在光学系统的设 计中要解决光能量的收集问题并实现预先指定的光场分布。对于照明平面，我 们关心的是光学系统对于光能的传输与分配是否符合设计指标。完成照明平面 的评价可以通过实验验证或计算机辅助仿真。本章依次从l e d 照明系统的光源、 光学系统、照明平面出发，对照明系统的设计理论进行研究和讨论。 第一节l e d 光源的选择及其光度学计算 3 1 1l e d 光源的选择 光源是照明系统中重要的组成部分，也是设计中应该优先考虑的环节。光 源的选择不是盲目的，通常要求设计指标和光源的特性相匹配。光源的特性包 1 4 第三章l e d 照明系统设计理论 括光学、电学、机械等方面特性。对于l e d 光源来说，光学特性是光源选择时 主要考虑的因素。 首先l e d 光源的光度学参数一定要满足设计指标。光源的光度学要求一般 指的是照度要求和光通量要求。选择l e d 光源往往关注的是光通量要求，照度 指标可以通过后续的光学系统来满足设计指标。其次，l e d 芯片的发散角很大， 即使通过一次光学设计的l e d 光分布特性也各有不同。如果设计指标对系统出 射光束发散角要求宽松，光源选择范围可以很大；但如果设计指标说明要得到 发散角小的出射光束，就要尽量选用发光半角较小的l e d 光源，这样可以减少 后续光学系统的设计难度和复杂度。最后l e d 光源也要满足设计指标中的光谱 要求。 进行光源的选择时，要遵循“物尽其用 的原则，尽量选用刚好满足设计 指标的光源，而不要选用各种参数都大大超过设计指标的光源，避免不必要的 浪费。比如在l e d 信号灯光学系统的设计中，设计标准会指定光源参数，单l e d 光通量可以是几1 m 到十几l m ，如果选用光通达几十1 m 的超高亮度l e d 光源， 其所消耗的经济成本和能源成本远大于亮度提高所带来的收益。所以从这一点 来说，照明系统的设计必须跟实际情况相联系，设计人员才能得到真正有实用 价值的设计。 综上所述，l e d 光源的选择是一个综合考虑的结果，其中l e d 光源的光学 特性是光源选择的主要依据。在对这些光学特性进行评价时，不可避免要计算 一些光度学参数，下一小节将介绍l e d 光度学参数的计算理论。 3 1 2l e d 光度学参数的计算 3 1 2 1 发光强度余弦定律 l e d 芯片可以近似一面光源，在没有集光光学器件的情况下，其各个方向 上的光亮度都近似一致。假定发光微面幽在与该微面垂直方向上的发光强度而， 根据光亮度公式有： ：量： ! ( 3 1 ) d ad a c o s 0 由上式得： i = i o c o s 0 ( 3 2 ) 第三章l e d 照明系统设计理论 上式就是发光强度余弦定律，又称朗伯定律。 3 1 2 2 点光源照度计算 一般当光源的最大尺寸不超过光源至被照平面间最小距离的五分之一时， 就可以将此光源看作点光源。 a n 1 7 心 j ， 图3 1 点光源照度计算 假定点光源a 照明一个微小的平面豳，如图3 1 所示。豳离光源的距离为 ，其表面法线方向o n 和照明方向成夹角0 ，假定光源在a 0 方向上的发光强度 为五则光源射入微小面积劣内的光通量为： d 痧= i d ( -