LED二次光学设计浅析

LED路灯光学设计与分析邢海英;高铁成【摘要】本文利用TracePro光学设计软件模拟LED路灯两种不同配光方案的光学设计效果,将TracePro仿真结果导入至Dialux软件中,模拟两种不同配光方案的实际道路照明效果,并进行比较分析.分析TracePro和Dialux所得结果可知,采用花生壳透镜进行一次配光设计的LED路灯设计与花生壳透镜作为二次透镜进行二次配光的LED路灯设计,均能获得蝙蝠翼型配光曲线,进而获得道路照明所需的矩形光场;但是通过Dialux软件模拟两种配光方案的实际道路照明效果发现花生壳透镜作为二次透镜进行二次配光的LED路灯的均匀性更佳,在实际道路照明中更可取.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2015(030)002【总页数】6页(P242-247)【关键词】LED路灯;花生壳透镜;矩形光场;均匀性【作者】邢海英;高铁成【作者单位】天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心天津300387;天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研究中心天津300387【正文语种】中文【中图分类】TM461 引言近年来，发光二极管（LED）技术发展迅速，特别是白光LED 技术的日趋成熟，使LED 应用于城市道路照明得到业界越来越多的认同[1]。

LED 在城市道路照明中的应用首先要满足该领域所需的光强分布以及光学性能指标的要求。

LED 行业通常将LED 封装成朗伯光源或近朗伯光源，这类光源在路面上形成的是不均匀的圆形光场，其中心光强较大，在径向衰减很快，图1为单纯朗伯光源路面照度分布图[2]。

而道路照明系统需要在其被照区域形成矩形光场。

与会有部分光散落在路面之外的圆形光场相比，矩形光场能使大部分光都分布在路面上，能提高光能的利用率。

图2a、图2b 分别为圆形光场和矩形光场路面照明示意图[3]。

如图2a 所示圆形光场照在路面上。

中心亮度大而边缘暗，若要在圆形光场边缘区域也达到照度值，那么中心的照度值将会超过标准要求，如此将增加路灯的能耗；另外，圆形光场在路面以外的一些区域存在相当的无效光，也会造成一定光能的损耗。

一种用LED光源的准直系统设计1 引言半导体发光二级管(LED)光源具有体积小、效率高、响应快、易调光、色域范围宽、无汞污染、使用寿命长等特点，是一种节能环保的新型光源。

随着LED技术的不断完善，特别是光效的不断提高，在投影显示、背光光源、城市照明等领域有着广泛的应用前景。

然而，由于LED的空间光强近似Lambertian型分布，使其在被照面上所形成的照度随出射角的增大而迅速衰减，很难满足远距离照明如手电、港口或码头用信号投射灯的实际需要，为了使光束平行出射以提高光能利用率，光学设计人员尝试通过各种途径来设计反射器、折射器或折反射器来改善光线在目标面的布局，以符合实际情况的需要。

目前，LED二次光学设计主要有两种方法：直接经验法和求解方程法。

直接经验法主要通过CAE三维机械建模软件绘制出光学元件的结构，并将此结构导入到光学仿真软件中如Tracepro中，并对此结构赋予某种光学属性，最后通过蒙特卡罗非序列光线追迹来判断照明面上的照度分布及整个系统的光强分布。

由于这种设计的随意性很强，相关设计者往往需要多次修改光学元件的结构，多次模拟来完成设计，此类方法并不需要太多的理论计算，设计的关键往往取决于设计者的个人经验。

方程求解法基于光源的发光特性和所需实现的照明要求而构建方程组，其未知数即为所求自由曲面上个点的坐标，在给定初始条件后，通过求解方程组的解析解或数值解，即可得到自由曲面的面型数据并可实现所需照明要求。

此种方法免去了反复试验所需的时间，提高了设计效率，但对设计人员的光学构建能力和数学功底的要求比较高。

本文针对旋转对称折射器，根据LED光源特性和目标面的光强分布要求，依据snell 定律和非成像光学中的光学扩展量要求，设计了一种较为简便的自由曲面折射器，实现了系统的长距离均匀照明。

2 设计原理建立如图1所示的坐标系。

设LED光源位于坐标系的原点，透镜前表面为平面，后表面为为曲面，即为需要设计的自由曲面。

浅析LED照明的二次光学设计研究发表时间：2016-03-30T17:28:28.693Z 来源：《基层建设》2015年23期供稿作者：华路[导读] 东莞轩朗实业有限公司 523281 LED（LightEmittingDiode）为发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

华路东莞轩朗实业有限公司 523281摘要：本文首先介绍了LED的发光原理，再通过一次光学设计及二次光学设计，简单介绍了LED照明的二次光学设计。

旨在与同行探讨学习，共同进步。

关键词：LED一次光学二次光学设计LED（LightEmittingDiode）为发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

20世纪60年代，人们通过对半导体材料可通电发光的了解，生产出了第一个商用发光二极管。

LED是由Ⅲ-Ⅴ族化合物，比如：GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体材料造成的，它的核心是PN结。

因此，其具有通常PN结的VI特性，即反向截止、正向导通、击穿特性。

除此之外，在一定的条件之下，其还具备着发光的特性。

在正向电压的作用之下，空穴由P区注入N区，电子由N区注入P区，进入到对方地域的少数载流子（少子）的一部分跟多数载流子（多子）复合而发光。

LED的发光原理如图1所示。

图1LED的发光原理PN结的端电压组成了一定的势垒，若给PN结外加个正向偏置电压，PN结的势垒将要减小，N型半导体当中的电子将会将要注入到P型半导体之中，P型半导体当中的空穴将要注入到N型半导体当中，因此出现了非平衡状况。

这些注入的空穴和电子在PN结处相逢发生复合，复合时将有余的能量以光能形式开释出来，从而可以观察到PN结发光。

这就是PN结发光的机理。

同时，当电子和空穴发生复合时，还有一些能量以热能的形式散发出来.PN结对电子和空穴具有不同高度的势垒，这两个势垒均很小，但是空穴的势垒比电子的势垒小得多，并且空穴不停从P区向N区扩散，取得高的注入速率，N区的电子注入P区的速率却比较小。

LED路灯透镜光学设计二次光学是直接决定LED路灯的输出效率、配光分布、均匀度及眩光程度的重要环节。

绿色环保的城市道路照明要求LED路灯产生正好覆盖马路的长方形的光斑，对马路之外的其他地方譬如居民楼和建筑物的光污染尽量的少。

XY非轴对称的自由曲面二次光学的配光设计，是实现此目标的最好的方法。

使得在单个透镜模组上就可以完成高效率长方形的输出光斑、蝙蝠翼形的远场角度分布、以及实现截光设计。

整个灯头的结构变得非常的简洁，只要将这些完成配光设计的LED透镜模组，按照同一个方向排列在一块平面的PCB板上即可，简化了LED路灯的机械结构、散热管理、以及电源控制的排布。

本文介绍了一种全反射型的二次光学透镜的设计，该透镜可以实现很高的输出光效率、蝙蝠翼形的配光曲线分布、以及较均匀的长方形光斑。

1. 技术背景LED固态半导体照明技术被认为是21世纪的战略节能技术。

中国、欧洲和北美的许多国家和城市都已经进行了LED道路照明技术的开发和大力推广，相比于金属卤素灯（MH）和高压钠灯（HPS），LED路灯拥有更长的寿命（大于5倍）；除此之外，LED 路灯还具有更好的可控性和光效，可以节能50%之多。

LED路灯的另一个绿色能源的特征是光源本身不含有害物质汞。

光学方面，LED芯片的小光源特性可以比较容易实现精确的配光和二次光学的优化设计，准确控制光线的方向，把光充分的分配到所需要照明的马路上，防止光污染和眩光。

二次光学设计是决定LED路灯的配光曲线、输出光效、均匀度、以及眩光指数的一项重要技术。

现有市场上大部分的高功率白光LED的光度分布是郎伯分布，光斑是圆形的，峰值光强一半位置处的光束角的全宽度约为120°。

LED路灯如果没有经过二次光学的配光设计，那么照在马路上的光斑会是一个“圆饼”，如图1（a）所示，大约1半左右的光斑会散落到马路之外而浪费掉，并且光斑的中间会比较亮，到周围会逐渐变暗。

这种灯装在马路上之后，路灯之间会形成很明显的明暗相间的光斑分布，对司机造成视觉疲劳，引发事故。

LED路灯二次光学设计随着科技的发展，LED（Light Emitting Diode）路灯已经逐渐取代了传统的照明设备，成为照明行业的主力产品。

然而，由于LED的点光源特点，使得LED路灯在光学设计方面仍然存在一些问题。

为了进一步提高LED路灯的照明效果，研究者们进行了大量的工作，提出了许多的二次光学设计方案。

LED路灯的二次光学设计主要包括反射器和聚光器两个方面。

反射器的作用是将LED产生的光线反射到需要照明的区域，而聚光器的作用则是将光线集中到一个小的区域内。

这两个部分的光学设计都对LED路灯的照明效果有着重要的影响。

在反射器的设计中，通常使用的方法是将LED发出的光线通过折射、反射等方式来改变其传播方向和角度。

例如，可以使用三棱镜形状的反射器来实现光线的聚焦和分散，以达到光斑均匀分布的目的。

此外，还可以利用反射率较高的材料来增加光线的反射效果，从而提高光线的利用率。

在聚光器的设计中，主要考虑的是如何将LED产生的光线集中到一个小的区域内。

常用的方法是使用凸透镜或反射镜来实现光线的聚焦。

凸透镜可以通过改变其曲面形状来改变光线路径，从而实现光线的聚焦。

反射镜则是利用镜面的反射原理来实现光线的聚焦。

同时，还可以使用自适应光学技术，通过改变聚光器的形状或位置来调整光线的聚焦效果，以适应不同的照明需求。

除了反射器和聚光器的设计，LED路灯的二次光学设计还需考虑光线的色温和色彩还原指数等因素。

色温是指光源的色调，常用的单位是开尔文(Kelvin)。

一般来说，较高的色温会让人感到冷色调，较低的色温则会让人感到暖色调。

色温的选择要结合照明环境和使用需求来决定。

色彩还原指数是指光源对物体颜色的还原能力。

通常取值范围为 0-100，值越大表示还原能力越好。

在LED路灯的二次光学设计中，还需要考虑能源利用效率和使用寿命等因素。

LED的能源利用效率较高，可以达到较高的光电转换效率，从而实现节能的目的。

此外，LED的使用寿命较长，可以达到几万小时以上，减少了灯具更换的频率和维修的成本。

LED道路照明系统的光学设计与发展趋势1、LED道路照明系统的背景介绍为了满足城市道路照明设计标准，传统的道路照明灯具往往采用耗电200瓦以上含水银的灯泡。

相比之下，到2009年，市场上发光二极管（LED）的光学效率已经超过了100lm/W，这意味着采用LED作光源的路灯，其耗电量将会大大的减少。

由于LED的超长寿命、不含汞和节能的特性，采用LED作光源的路灯来取代传统的LPS（低压钠灯）或MH（金属卤化物灯）是很好的选择。

目前，LED路灯在世界上各个国家都进行了测试。

为了解决能源紧缺和温室气体的排放问题，LED路灯在一些地方已经实用化，其中中国、北美以与欧洲的一些地区和都市的政府进行了积极的推广。

由于市场上出厂的LED大部分都是呈郎伯型（Lambertian 范围的出射光还是很多，这样就会给远处的车辆或行人造成眩光。

︒~90︒distribution）分布，中心光强比较强，而且是对称的圆形光斑分布，不能直接用于道路照明。

为了满足城市道路照明设计标准，LED路灯需要进行二次光学设计，以产生一个长方形、均匀分布的光斑，其配光曲线需要呈蝙蝠翼的形状。

另外，光学设计的好坏直接决定了LED路灯的效率，有的LED路灯加上了设计不好的二次透镜之后，有些光在透镜里面多次反射后损耗掉了或者是不能配到有效的区域，有些二次透镜虽然光斑形状和均匀度都可以，但出光效率却降低了将近一半。

还有，光学设计的好坏也均定了LED路灯有无眩光，有的设计得不好的透镜，虽然也可以产生一个长方形、均匀分布的光斑，配光曲线也可以呈蝙蝠翼，但由于没有采用截光设计，导致沿道路方向75好的光学设计应充分利用LED光源面积小这一优点，充分考虑光的利用率，将所有从LED芯片发出的光都分配到路面上，形成一个均匀度好、无眩光、配光曲线呈蝙蝠翼的光斑。

本文将基于这些因素来探讨LED道路照明系统的光学系统设计与发展趋势。

2、自由曲面二次光学的设计方法由于道路照明要求路灯的光斑是长方形，在垂直于道路的方向，其出射的光束是会聚的，而沿着道路的方向，其出射光束是发散的，并且有一个很大的视角。

责任编辑：毛烁芯片级封装大功率LED器件的二次光学设计及应用Design and Application of the Secondary Optical LENS for Chip Scale Package High Power LED周忠伟，郭向茹，毛林山，方荣虎，喻召福（创维液晶器件（深圳）有限公司，深圳518108）摘 要：针对当前直下式液晶显示器存在的光度不均匀（Mura）及厚度偏大的现象，本文从原理上分析了该现象产生的原因，主要在于LED灯珠的出光角度较小。

通过分析二次光学透镜的出光原理并采用Lighttools光学模拟软件设计出具有较大出光角度的二次光学透镜。

采用分布式光度计系统测试该透镜的实际出光角度为198.6°，相比普通透镜提高了41.8%，将其应用在32寸超薄液晶显示器中实现了良好的显示效果。

关键词：芯片级封装；二次光学透镜；出光角度；亮度均匀性目前，液晶显示器有两种主流的背光技术：一是侧光式（Edge Type）LED背光技术，二是阵列直下式（Direct Type）LED背光技术[1]。

侧光式背光技术是通过导光板的网点破坏光线的全反射，并利用导光板及光学膜片使光线均匀化，但会降低光线利用率，增加整机的功耗及成本。

而传统阵列直下式LED背光技术虽然可以降低功耗及成本，但其采用LED器件搭配的二次光学透镜出光角度较小，为了避免出现光度不均匀（Mura）[2]现象，需要增加混光腔厚度，从而导致整机厚度偏大。

因此，为了同时实现液晶显示模组的薄型化、低功耗、高亮度均匀性及高出光效率等特点，本文拟以阵列直下式LED背光技术为基础，采用芯片级封装大功率LED器件[3]，设计并模拟具有更大出光角度的新型二次光学透镜[4]，并将其应用在32寸超薄液晶显示器中，从而实现了良好的显示效果。

1 新型二次光学透镜的设计与模拟本文用点光源进行初始的计算设计，假设光的入射面为水平面，透镜的侧面为垂直面，则新型二次光学透镜的设计原理如图1所示，即光线通过透镜的第一曲面后发生折射，然后在第二曲面发生全反射，从而改变光线的传播方向，光线从透镜的侧面出射后，经过反射片的反射再入射到扩散板上，形成光斑。

新型LED路灯照明二次光学设计字号: 小中大| 打印发布: 2009-1-08 00:09 作者: 钱可元罗毅来源: 阿拉丁照明网查看: 0次编者按：由于白光LED具有很多显著的优点，将其应用于公共城市照明设施地替代光源有着许多的优点。

然而要真正充分发挥半导体光源的长处，二次光学系统的设计至关重要。

本文介绍了一种独特的适用于城市道路照明二次光学系统，他能较好的满足城市道路照明的家路相关标准，并可以灵活地适用于不同的道路情况。

1、引言公共城市照明在照明市场上占有庞大的份额，根据统计，城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例，约439 亿kwh，以平均电价0.65 元/kwh 计算，一年开支285 亿元。

目前，广泛应用于城市公共照明的是高压钠灯，特别是在主干道上，高压钠灯可以提供100lm/W 以上的发光效率。

但其本身的缺憾也很明显：光源的光谱成分偏黄，显色指数极低;灯具的寿命短，更换工作量大;不便于对于灯的功率进行调节;随着20 世纪90 年代固体物理学的高速发展和新半导体材料的突破性发现，近10 年来LED 技术取得了突飞猛进的发展。

白光LED 的出现，以其特有的低电压驱动、体积小、重量轻、显色性好、调光性能好、寿命长(达2 万小时以上)、耐振动、不易损坏、符合环保要求等优势，使半导体光源将成为城市道路照明理想的节能光源。

其显著的优点为：光效高。

目前商业化的白光LED 光效已达到90-100lm/W 左右，预计2 年内能达到150lm/W 以上，而这并非LED光效的上限，各国的专家都把光效地目标定在200lm/W 左右。

寿命长。

理想的目标是10 万小时，而目前商业化的白光LED 寿命可到5 万小时，比传统光源寿命要长10 一20倍。

做成城市道路照明光源，则可以10 年不换光源，大大节省了日常的维护费用。

便于对于灯的功率进行智能调节;可以附加二次光学系统，最大限度地利用LED 的光能，满足各种应用场合特定的照度与光强分布。

LED显示装置的二次光学设计【摘要】LED显示装置的二次光学设计在提高显示质量和降低能耗方面发挥着重要作用。

本文从二次光学设计的意义、原理、常见方法和应用等方面进行了详细介绍。

通过合理设计光学元件的形状和材质，可以提高LED显示器的亮度、对比度和色彩表现力，同时降低光补偿和能耗。

二次光学设计在LED显示装置中的应用已经取得了一定的成果，但仍有许多挑战和发展空间。

未来，随着技术的不断进步，二次光学设计在LED显示装置中的应用将会更加广泛，效果也会更加出色。

LED显示装置的二次光学设计的重要性不言而喻，未来将会成为LED 显示技术发展的重要方向。

结合本文所述的内容，可以看出LED显示装置的二次光学设计对于提升显示效果和节能降耗具有重要意义，值得进一步研究和应用。

【关键词】LED显示装置、二次光学设计、意义、原理、常见方法、应用、未来发展方向、重要性、发展趋势、总结1. 引言1.1 LED显示装置的二次光学设计LED显示装置的二次光学设计是指在LED显示器中，通过对光学元件进行合理设计和优化，以提高光学性能和减少能量损失的过程。

二次光学设计在LED显示装置中起着至关重要的作用，能够有效提高显示效果和节能减排。

在LED显示装置中，二次光学设计主要包括透镜设计、反射材料选择、光学路径设计等方面。

通过合理设计透镜形状和材料，可以改变LED发光角度和亮度分布，从而提高LED显示屏的亮度和对比度。

选择合适的反射材料和设计光学路径，可以减少光线损失和反射损失，提高LED显示装置的光学效率。

在LED显示装置中，常见的二次光学设计方法包括全息透镜设计、反射镜设计、光学模拟仿真等。

这些方法可以根据LED显示器的具体要求和应用场景，进行定制化设计，最大限度地提高显示效果和节能减排效果。

通过二次光学设计，LED显示装置的应用范围将得到进一步拓展，未来有望实现更加节能高效的LED显示技术。

LED显示装置的二次光学设计将在未来发展中扮演重要角色，推动LED显示技术不断创新和提升。

浅谈LED的一次光学设计与二次光学设计
2009-05-12 17:11:33 文章来源：光电新闻网我来说两句(1)
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•大功率LED照明零组件在成为照明产品前，一般要进行两次光学设计。

把LED IC封装成LED光电零组件时，要先进行一次光学设计，以解决LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分佈、色温的范围与分佈。

这就是所谓的一次光学设计。

二次光学设计是针对大功率LED照明来说：一般大功率LED都有一次透镜，发光角度为120度左右。

二次光学就是将经过一次透镜后的光再通过一个光学透镜改变它的光学性能。

我们必须清醒的认识到，一次光学设计是二次光学设计的基础。

只有一次光学设计封装设计合理，能够保证每个LED发光零组件的出光品质，才能在一次光学设计的基础上进行二次光学设计，以保证整个发光系统的出光品质。

简单地说，一次光学设计的目的是尽可能多的取出LED芯片中发出的光。

二次光学设计的目的则是让整个灯具系统发出的光能满足设计需求。

LED光学设计的基本结构图（仅供参考。