姚書劍

摘 要：現(xiàn)階段，新興產(chǎn)業(yè)在我國全面發(fā)展，其涉及范圍十分廣泛，正是處在這種環(huán)境之下，讓LED市場(chǎng)也不斷繁榮，LED路燈的光學(xué)設(shè)計(jì)也變得越來越重要。基于此，本文針對(duì)LED路燈光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：LED路燈；光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)；分析與研究；

光學(xué)設(shè)計(jì)常常伴隨著多次設(shè)計(jì)過程，其目的和意義都有所區(qū)別。一次光學(xué)設(shè)計(jì)主要目的是為了保證每個(gè)LED發(fā)光芯片都能正常發(fā)光，二次光學(xué)設(shè)計(jì)的目的則是為了驗(yàn)證每個(gè)光學(xué)器件的出光質(zhì)量和效率。我們站在特定角度去考慮，只有一次光學(xué)設(shè)計(jì)成功之后，才能保證二次光學(xué)設(shè)計(jì)的順利實(shí)驗(yàn)，這也是對(duì)LED路燈燈光設(shè)計(jì)技術(shù)的改進(jìn)。

1.一次光學(xué)設(shè)計(jì)

LED路燈的設(shè)計(jì)技術(shù)首先要進(jìn)行一次光學(xué)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)部分由內(nèi)光學(xué)設(shè)計(jì)和外光學(xué)設(shè)計(jì)兩部分組成。內(nèi)光學(xué)設(shè)計(jì)的定義主要是灌封膠以及熒光粉的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的主要作用還是用來提高LED燈的光通量和光色。另一方面，外光學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是將光折射出來的光束進(jìn)行收集和匯聚，接著將收集的光束進(jìn)行整形，使其成為強(qiáng)度分布均勻的光場(chǎng)。一次光學(xué)設(shè)計(jì)的主要目的還是把LED芯片中多余的發(fā)光能量取出來，讓LED發(fā)光光源發(fā)出來的光能在一定角度下產(chǎn)生折射現(xiàn)象，光線一般會(huì)沿著不同的方向折射出去，進(jìn)而產(chǎn)生不同的光源結(jié)構(gòu)。我們就可以根據(jù)LED光源的大致形狀將其分為點(diǎn)光源、圈光源和發(fā)光顯示器；一般按照發(fā)光的形狀區(qū)分，在封裝過程中，要學(xué)會(huì)區(qū)別材料的種類和了解每一種材料的性質(zhì)，這樣才能采用不同的封裝方式，這種原理類似于漫射透鏡的原理，要采取科學(xué)的封裝方法才能圓滿完成一次光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從而提高光效的利用率。

在進(jìn)行集成封裝的過程中，一般要將光束同透鏡進(jìn)行微型化處理。透鏡的主要作用是可以讓光束發(fā)生折射和反射，這樣就能夠起到光束的整形和準(zhǔn)直作用，讓發(fā)散出來的光束更加平直的排列，制作簡單可靠，便于和其他平面耦合器結(jié)合，同時(shí)這也為大功率LED 燈的研究提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。實(shí)踐結(jié)果表明，利用光線的衍射和微透鏡排列分布來代替菲涅爾透鏡，可以將光束的質(zhì)量和輕度大大提高，在很大程度上提高了LED 燈的質(zhì)量，延長了使用壽命。LED 芯片上封裝模塊的科學(xué)排布一直是一個(gè)重要的研究課題，要求光線要均勻，這就主要取決于封裝的密度、芯片的間距以及芯片和目標(biāo)的距離。一般來說4 x4陣列模塊，獲得均勻光分布的最大芯片間距d max為： 。集成芯片常常采用常規(guī)芯片，其主要優(yōu)點(diǎn)就是能得到高密度的結(jié)合，增加其取光效率。最后，還要合理的結(jié)合用戶的要求，可以將電流和電壓進(jìn)行重組，也可以改變其體積和形狀，并采用科學(xué)合理的封裝形狀進(jìn)行封裝。通常選用高折射率的材料，這種材料的最大優(yōu)點(diǎn)就是成本低、產(chǎn)生的光效高，這一般適用于路燈、景觀燈的設(shè)計(jì)中。

2.二次光學(xué)設(shè)計(jì)

2.1反射式的二次光學(xué)設(shè)計(jì)

反射式二次光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是能使LED的下部光、側(cè)部光以及上部光經(jīng)過直射、反射和折射的形式輸出，簡言之就是能夠合理的將光線分配均勻，從而控制光源的通量。光源在經(jīng)過反射器后，要按照相應(yīng)的方向進(jìn)行投射，這樣才能提高LED 路燈的發(fā)光率。其中反射器的設(shè)計(jì)最為復(fù)雜，要關(guān)系到很多種數(shù)據(jù)，其中包括反射材料的反射系數(shù)、反射分布形狀和反射曲面，一般對(duì)于要求光效高、方向性好的燈具可以選擇采用反射材料；對(duì)于光線要求不高的燈具可以采用擴(kuò)散反射材料。其燈具的形狀各異，例如：拋物面、球面、平面、自由曲面等。

2.2折射式的二次光學(xué)設(shè)計(jì)

還有另一種類型要用到透鏡，這種類型的主要原理就是利用廣大折射的原理將能夠折射的材料做成燈具元件，一般用的最多的就是折射器和棱鏡，他們的主要作用就是用來改變光線的方向和折射角度的大小，這樣就能改變照明的面積和光線的強(qiáng)度，讓光線能夠得到合理分布。LED 如果采用透鏡，就會(huì)從點(diǎn)光源處發(fā)出了光線產(chǎn)生折射或者散射現(xiàn)象，因此LED 光源經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后就會(huì)形成一個(gè)均勻透明柔和的光線，這樣就會(huì)不至于引起用戶的視覺疲勞。只有將LED 光源按一定的排列順序科學(xué)分布，就會(huì)讓光能的利用率達(dá)到95%以上，就能在同一個(gè)平面上盡可能多的分布光線，讓光線的亮度加大，同時(shí)還能起到節(jié)能的重要作用。

2.3反射折射混合式的二次光學(xué)設(shè)計(jì)

在二次光學(xué)設(shè)計(jì)過程中，有時(shí)在制作LED路燈燈具時(shí)，也會(huì)采用發(fā)射和折射相混合的特殊形式。這個(gè)系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，其由兩部分組成，分別是準(zhǔn)直系統(tǒng)和復(fù)眼系統(tǒng)。兩個(gè)系統(tǒng)在其中起的作用各有不同，其中準(zhǔn)直系統(tǒng)主要由反射器和中央準(zhǔn)直透鏡組成。其工作過程是將LED光出了光束通過反射和折射的方式逐漸調(diào)制為平行于器件的主光軸，然后將主光軸光束輸出到復(fù)眼透鏡之上；最后由復(fù)眼透鏡控制初射光束的發(fā)散角度。

3.結(jié)語

LED技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟起來，其普遍應(yīng)用于各種科學(xué)領(lǐng)域，在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，各個(gè)領(lǐng)域都有自己對(duì)LED照明的要求和標(biāo)準(zhǔn)，因此，LED 二次光學(xué)設(shè)計(jì)還需不斷加強(qiáng)，希望早日實(shí)現(xiàn)LED設(shè)計(jì)技術(shù)的巨大突破。

參考文獻(xiàn)：

[1]張奇輝.大功率 LED 照明系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)方法研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010：12-13.

[2]夏勛力，余彬海，梁麗芳.矩形光場(chǎng)LED一次透鏡光學(xué)設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體光電，2010，31，（5）： 690-693.