非成像光学应用于LED照明探析

现阶段，在全球能源日益短缺的形势下，节能降耗现已成为我们不得不面对的严峻问题。照明系统在带给人们光明的同时，也无时无刻不在消耗着电能，为了尽可能减少电能的消耗，节能照明系统受到人们越来越多的关注。LED以其能耗低、使用寿命长、经济性高等特点，现已在诸多领域内被广泛应用。以往的LED照明系统设计都是在实验内利用模型来完成，设计完成后一旦发现其光学特性不符合要求时，就必须得重新设计，从而浪费了大量的人力和财力。随着应用光学的不断发展和进步，非成像光学理论及其方法也随之完善。基于此点，本文就非成像光学应用于LED照明进行浅谈。

1 非成像光学及其相关概念

1.1 非成像光学

与以往传统的成像光学不同，非成像光学注重的并非是光源能够在目标平面上成像及成像后的质量，其主要关注的是光源的能量利用率以及该能量在方位角及空间内的具体分布情况。如图1所示，在成像光学系统中，其主要传递的是物点的光强度及位置信息，而在非成像光学系统中，则主要是对物点能量进行传输及重新组合与分配。

图1 成像光学与非成像光学功能示意图

1.2 能量收集率

非成像光学主要关注的是能量的分配，如果建立一个如图2所示的非成像光学器件模型时，从中便可以清楚的看到，A所代表的平面是入射孔径面积，而A 所在的平面则是出射孔径面积。下面我们假设该器件的出射孔径面积A 能够让全部光线都透过这部分面积出射，入射光束面积与出射光束面积这两者之间的比值c就是能量收集率。通常情况下，2D系统中能量的最大收集率为C2D=l/sin，而在旋转对称的3D系统当中，最大收集率为C3D=1/sin2θ。能量收集率的概念主要应用于对非成像光学系统的评估当中。

图2 能量收集率的概念

1.3 几何光学

目前，几何光学已被广泛应用于光学系统的设计当中。成像光学和非成像光学系统在设计时都必须以几何光学的理论为基本依据。几何光学中有四大基本定律，分别是光的直线传播定律、独立传播定律、折射定律和反射定律。

(1)光的直线传播定律。该定律主要说明了一个问题，即在均匀且同性的介质中，光是沿着直线进行传播的。

(2)光的独立传播定律。由不同光源发出的光束以各种不同的方向经过位于空间中的某一点时，彼此之间均是独立存在且互不发生影响。

(3)光的反射定律。入射、反射、投射三种光线位于同一平面内时，反射角与入射角绝对值相等、符号相反，而此时入射和反射光线则会位于投射点法线两侧。

(4)光的折射定律。与反射定律比较类似，也是当三种光线位于同一平面内，入射角与折射角的正弦之比与角度的大小不发生关系，主要与介质的具体性质有关。

2 LED的特点及分类

在介绍LED的特点和分类之前，首先让我们了解一下LED的概念，所谓的LED是英文Light Emitting Diode的缩写，中文意思就是发光二极管，它是一种可以将电能转化为可见光的半导体器件，该器件常以固态形式存在。LED中的关键核心是半导体晶片，该晶片主要由P型半导体和N型半导体两个部分构成。

2.1 LED的主要特点

由于LED采用的是电场发光的原理，其特点十分明显，具体可归纳为以下几个方面：