LED光学设计的现状与展望

LED光学设计的现状与展望

孟宪宇

孟宪宇

西朗德光学有限公司

摘要：所谓的LED，即发光二极管，作为一种高效、节能、环保、易造型、体积小等众多优点于一身的光学元件，在二次光学设计领域占有一席之地，在实际应用中也扮演者重要的角色。为了保证整个照明系统的出光质量和显示效果，需要对LED显示装置进行二次光学设计。如何充分利用LED的发光原理和光学性质成为当前光学设计的一大热点议题，随之而来的就是二次光学设计的大面积应用问题的研究。

关键词：LED二次光学；光学设计；现状及展望

社会发展初期，人们只求更快的发展速度，而忽略了污染和能源损耗带来的负面影响。21世纪最受全球瞩目的话题就是能源，一切现代化设计和新型设备的发明的根本目的都是节约能源，方便生产和生活。LED作为一种新型二次光学电子元件，完全符合绿色环保的主题，兼具体积小，寿命长等各种优良特质。但单单作为照明光源，还存在一定的问题。下面结合LED自身的光学性质和应用前景，做一个简单的论述：

1、LED二次光学概论

LED光学系统的设计和研究，为的就是将LED内部芯片的输出光能更好的利用起来，满足照明的需求。一般来说，封装过程中的设计为一次光学设计，LED之外的设计被称为二次光学设计，即二次配光。

一次配光设计主要考虑非成像光学的研究范围，主要能够决定光学元件的出光度、光通量大孝光强大小及分布情况等光学性质。一次配光设计要求保障每个LED的发光部分的出光质量，尽可能多的将芯片中的光能摄取出来并投入到设计的照明区域中，以便完成光能的满足需要。目前，进行LED的二次配光设计主要用到的光学元件有透镜、反射镜和折光板等。

二次光学设计与一次配光设计不同，主要考虑光通量、光强、亮度、照度等光学性质。在非成像光学中，如何评判质量的优良，不再考虑成像光学中的像差理论和成像质量，而是将光能利用率作为一次配光设计的唯一评判标准。如何提高LED光学系统的光能利用率才是关键，也是当前光学设计的首要攻克的难题。

2、LED二次光学发展过程

纵观LED的发展过程，作简要介绍：

2002年起，LED开始被应用于小尺寸的显示屏，如手机显示屏。

2005年到达高峰，利用率持续攀升，单位显示器使用的LED颗数逐渐减少，手机使用趋于饱和，LED在手机上的总需求开始下滑。此时LED主要发展为被应用于中尺寸显示器。

2007年中尺寸显示器的需求达到饱和，总需求开始下降，此时的LED开始进入另一个应用范围，即笔记本电脑显示。

2009年，LED开始进入电视显示器的应用，随着LED在大尺寸显示器中的应用越来越广泛，LED的性能已经不断提升至每瓦100流明以上，但价格却不断下降，让LED成为在照明应用中占据主流地位的重要因素之一。

2009年LED电视销售量远远高出预期值，造成LED需求又急剧上升，一度造成供不应求的热况。2009年至2010年，以为这种热况能够持续很久的LED生产公司积极扩产，不断输出成品，却发现整体需求量远远低于预想值，加上正逢全球经济危机，终端产品厂商只好通过降低LED使用颗数来降低LED的生产成本。

经历了2011年的LED行业的低潮之后，LED生产厂商均期待2012年能够在低价直下式电视以及照明的两大应用中走出低潮。但消费者仍旧很在意传统光源与LED之间的价差，所以LED在照明的应用上还是以项目型和标案为主，要想广泛推广到每家每户可能还要政府的配合和消费者的态度转变。

纵观2012年至今，LED行业的发展逐渐趋于缓和但整体上升的态势，希望企业能够投入更多的人力物力用于研究和创新，将LED的应用范围不断扩大，以便能够迎合新市场的挑战。

3、LED光学设计的方法

非成像光学理论是现阶段LED二次光学设计方法主要的依托理论，起源20世纪60年代中期，针对太阳能的聚光进行研究，对小面积光源的照明起步更晚。下面简要分析两种LED二次光学设计：

①经验法

鉴于非成像光学理论存在不少弊端，还不是很完善，在具体实施应用上还存在一定的难度。在现阶段的二次光学设计中，设计人员往往凭借经验进行设计，通过PRO/E、solidworks、UG等各类三维建模软件进行模型设计，通过非序列光线追迹来判断照明照度及光强分布。然而仅仅凭借经验进行设计，受设计人员的主观能动性较大，随意性很高，每个设计任务可能都要经过很多次修改和模拟才能达到设计的目的。

②偏微分方程求解法

普通的球面透镜、传统的反射镜以及光学反射器已经不能满足现代社会照明设计的需求，自由曲面就成了未来光学行业的发展必然趋势。为了能够得到合适的自由曲面，使用偏微分方程求解法进行研究，分析反射、折射路径，曲面参数以及能量守恒定律等各项原理，同时考虑应用时存在的结构性限制，边界条件也是必须要考虑的一个方面。整个求解过程比较复杂，难度系数较大，一般通过数值解和得到非自由曲面。

4、二次光学设计的发展趋势

上述两种方法是现阶段应用比较多的方法，但都存在或多或少的应用阻力，并且由于设计要求不同和发光二极管的不同，设计方法也存在不同之处。当配光曲线存在不一致时，就需要不同的LED等光学元件进行相互配合，这样一来，需要更多的光学设计程序化方程组。如何开发是二次光学设计的研究重点，具体体现在以下几个方面：

①非成像光学设计软件模拟分析的准确性

软件自身的准确性和软件参数设置的准确性是提高软件模拟器准确性的重要指标，两者相结合，综合考虑。通过与实际设计、实际测量对比得出的结果，提高模型的准确性。

②优化设计

考虑到自由曲面参数较多，不可能通过人为控制，计算机程序控制成为必要的措施，建立能够控制我们所需的自由曲面的参数程序，才能够合理优化我们的光学设计。在我们建立量化模型的前提下，通过评价函数软件的优化功能，使得评价函数成为优化的核心目标，利用照度作为评价函数的优化基本，得到的合理的评价函数才能大大提高优化设计的速度及效果。

结语

LED二次光学设计是整个光学行业中富有挑战的一个支部，它影响着整个LED在照明工作中的应用情况及推广前景，随着LED自身的发展和相关技术的拓展，人们对二次光学设计的要求不断攀升，由此可见，LED二次光学元件将在照明领域中扮演着重要的角色。LED体积小巧，质量轻，耗电量低，在正常的使用情况下，能够达到10W小时的工作寿命，热辐射较低且可控性强，颜色多变是一种新型高效固体光源。在LED的带领下，引发了全球第三次照明革命，相信在不久的将来一定会成为家家户户的照明设备。

参考文献：

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