LED 体积小,在近场可做面光源,而远场近似点光源的特点,使其在光学设计方面十分方便灵活。当以LED 为光源时,大多采用密集平铺的方式来达到非成像光学设计中强调的均匀性要求。如以LED 作背光源的液晶显示屏就是采用阵列式LED来均匀发光的。由于发光角越大,光学设计难度越高,因此LED 的光学设计是非常灵活的。在一些特殊的场合,还可以通过进一步减小LED 的发光角,牺牲一部分效率来实现特殊的光学设计要求。

由于LED 为朗伯型光源,不能直接应用于照明场合,为了能够尽量充分地利用芯片发出的光能,实现较高的光能利用率,并且满足对目标照明区域的照明要求,必须对芯片进行适当的配光设计。LED 器件作为照明光源的配光设计,简单来说,就是把光源的能量有效地利用,并加以合理分配的过程。在这个过程中,设计者需要解决两类问题：一是光源发出光能的收集问题,其关注焦点在于光能的收集效率,即尽可能多地收集光源发出的所有能量；二是光能的分配问题,其关注焦点在于如何把第一步所收集的光能进行分配,实现预先给定的光场分布。

通常光源的设计分为两种,即一次光学设计和二次光学设计。其中,在封装过程中的设计被称为一次光学设计；在LED 封装之外进行的光学设计被称为二次光学设计。一次光学设计保证了每个LED 发光芯片的出光质量,二次光学设计则保证整个发光器件(或灯具)的出光质量和发光效率。从某种意义上说,合理的一次光学设计,能够保证系统二次光学设计的顺利实现,提高照明和显示的效果。

1.一次光学设计

LED 芯片从外形上看是一块很小的固体,在显微镜下可以观察到两个电极,加入电流后它会发光。在制造过程中,要焊接LED 芯片的两个电极,从而引出正、负电极,并对两个电极进行保护。因此,这就需要对LED 芯片进行封装。在封装过程中,为了使芯片能够高效率地输出可见光,需要进行光学设计,选择合适的封装材料,这种设计在LED 制造行业内被称为一次光学设计。每个LED 光源都有一个特定的光强分布特性,即配光曲线,主要包括封装树脂透镜以及内部反射器等。一次光学设计决定了光源的发光角度、光通量、光强分布、色温范围以及显色指数等参数,其主要目的是为了保证芯片的出光质量,使LED 光源发光芯片发出的光在空间以一定的角度出射。光线沿各个方向的分布因各种封装结构的不同而不同。通常情况下,芯片的配光曲线为朗伯体,如图1.20 所示,即发光强度随角度变化呈余弦规律分布(I=I0cosθ)。而光源的一次光学设计与二次光学设计之间的相互配合是非常关键的,为了方便进行后续的二次光学设计,当然也可以通过改变LED 器件的封装透镜来修改其光场分布,使其发出的光不呈朗伯体分布,而是呈有一定特殊性的配光曲线。

2.二次光学设计

二次光学设计是在一次光学设计的基础上对整个系统的光强、色温的分布状况、光源配比、模具进行设计,从而将发出的光集中到所需的照明区域内,并且在光色配比等方面符合应用需求。一次光学设计是为了保证每个LED器件的出射光质量,提高发光效率性；而二次光学设计是考虑怎样把LED 器件发出的光集中到所需的照明区域内,并且使光色配比、色温分布等方面符合应用需求。只有一次光学设计封装合理,才能保证二次光学设计目标的实现,从而提高灯具的照明效果。

图1.20　LED 芯片(朗伯光源)照明示意图

由此可知,一次光学设计和二次光学设计对照明器件的性能影响巨大,一次光学设计是由厂家出场前就设计好的,所以在使用封装好的LED 器件时二次光学设计就显得更加重要。第一,所需的光谱分布需要搭配不同光色的LED 器件以满足应用需求；第二,封装之后,照射区域照度分布均匀性达不到设计要求,照度值大小不能满足设计需求,这时都需要对LED 进行二次光学设计。主要的LED 光学设计形式有：

(1)直射式。

直射式无二次光学设计系统,LED 器件的光无须经过光学器件直接发出朗伯体分布的光。也可以通过改变LED 器件的封装透镜来修改其光场分布,使其发出的光不呈朗伯体分布。

(2)漫射式。

在大部分照明环境下,必须通过漫射式光学设计来降低其表面亮度,同时扩大发光范围。漫射式的典型应用是LED 球泡灯和LED 灯管。

(3)反射式。

反射式光学系统中大角度光线经过反射器一个面的反射后发出,大部分中心光线则是直射式发光。这种方式的缺点是只有部分光效可控,而大部分光线不可控,且尺寸较大,LED 的位置也不方便确定和固定。在实际应用中可以通过改变反射器形状、旋转LED 器件的发光方向,实现不同的照明效果。常用的反射设计有抛物面反射、椭圆面反射、自由曲面反射。

抛物面只有一个焦点,从这个焦点发出的光经抛物面发射后,光线会变成平行光射出,利用这一光学特性,我们能获得平行光,从而提高光的利用率。在平面内,进入抛物面的平行光线在被抛物面反射后将汇聚到焦点；而从焦点发射的光线经过抛物面反射后将互相平行射出,如图1.21所示。这就是抛物面在太阳能领域应用广泛的主要原因,抛物面反射器具有良好的会聚效果。

图1.22所示为椭圆面反射器的工作原理图。假设一条光线经过椭圆的一个焦点,光线在椭圆腔体内经过若干次反射后,光线将会经过椭圆的另一个焦点。人们利用椭圆的这个性质设计出了具有很好聚光效果的椭圆反射器,目的在于将椭圆收集到的热能汇聚到另一个焦点上,从而提高反射器的聚光能力。而在照明中,把LED 光源置于椭圆其中一个焦点,出射光线经过椭圆面反射,使光线聚集到椭圆的另一个焦点,从而提高光能的集中率。

图1.21　抛物面反射器

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图1.22　椭圆面反射器的工作原理图

自由曲面型反射器是由多个曲面通过平滑过渡拼接在一起的曲面集合,每个小曲面为面元,每个面元通过计算机复杂运算生成,且每个面元负责将光线投射到不同的照明区域。自由曲面型反射器在汽车照明上应用广泛,利用其设计的近光灯,与采用抛物面设计的近光灯相比,两者结构上基本相似,但配光的原理却相差甚远。

自由曲面型反射器,通过复杂的计算,将自由曲面划分为多个模块,每个模块负责将光线投射到指定的照明区域,这样做的好处是大大提高了光线的利用率,使光线能满足汽车照明法规的要求。在满足法规的前提下,它还能充当其他反射器系统的配光镜功能(图1.23),并实现偏移和散射功能,这样,可以减少对配光镜的设计工作,配光镜只是起到保护系统的作用,也可以删减掉挡光板,使得照明系统更紧凑。自由曲面型反射器虽然比其他的反射器存在诸多优点,但自由曲面型反射器也存在许多弊端,如计算复杂,曲面面元独立,不容易注塑成型,开发难度较大,成本也较高。

图1.23　自由曲面型反射镜

(4)透射式。

透射式系统利用光的折射原理将某些透光材料做成灯具元件,常用的灯具元件有透镜和棱镜两大类,这些灯具元件用来改变初始出射光线的前进方向和出光角度的大小,从而改变照明面积和照度,最后获得合理的分布。LED 采用透镜时,会使点光源发出的光线会聚或扩散,所以,LED 光源经过透镜光学系统后形成的泛光照明均匀柔和、不易引起视觉疲劳,且无眩光污染。当LED 光源的阵列方式和透镜的光学系统合理搭配时,每个LED 的光能量利用率可达到98%以上,多束光投射在同一个焦平面上,最终形成的光亮度就会成倍增加。目前应用越来越多的双排复眼透镜是由一系列小透镜组合形成的,将双排复眼透镜阵列应用于照明系统,可以获得高的光能利用率和大面积的均匀照明。例如,LED 在信号灯中的二次光学设计,由于信号灯需要将LED 发出的光集中于一个较小的立体角范围内,所以就需要选用透镜作为准直光学组件,使得LED 发出的光满足要求。透射式还可以控制大部分光线,且尺寸较小。如图1.24 所示,利用菲涅尔透镜,把LED 点光源发出的所有光线收集起来并转换成平行光后加以利用。该透镜具有锯齿状的入射面和平面出射面,LED 光源发出的光在菲涅尔透镜的锯齿状入射面发生折射后以平行光束从平面出射面射出。

汽车后雾灯光学结构就用到了菲涅尔透镜(图1.25)。利用准直型菲涅尔透镜的光学特性,可完成对LED 光能的收集工作。

图1.24　菲涅尔透镜的准直系统

图1.25　菲涅尔透镜及应用于汽车后雾灯设计

(5)全反射式。

在特殊角度、特殊方向下,LED 光线以临界角照射到反射器上,再由出光口导出。如图1.26所示,全反射透镜是通过光的全反射现象来实现对LED 光源发出的光进行准直处理的。该透镜的内侧有一个空腔,该空腔可用于放置LED光源,LED 光源正对着透镜空腔发光。该透镜包括入射面、全反射面和出射面,透镜内侧的空腔表面是入射面,透镜外侧周围的自由曲面是全反射面,透镜外侧顶部的平面是出射面。LED 光源中心部分的光经过透镜时,在透镜内侧空腔顶部的自由曲面入射面发生折射后以平行光束从透镜外侧顶部的平面出射面射出；LED 光源边缘部分的光经过透镜时,首先在透镜内侧腔壁的柱面入射面发生折射,然后在透镜外侧周围的自由曲面发生全反射,最后以平行光束从透镜外侧顶部的平面出射面射出。

图1.26　全反射透镜的光学设计

(6)反射式与透射式结合。

金属面透镜是通过光的折射、反射以及全反射现象来实现对LED 光源发出的光进行准直处理的,如图1.27所示,该透镜下表面的中心区域为入射面,上表面的外围区域为出射面,该透镜上表面的中心区域和下表面的外围区域为金属化表面,光线不能从该表面透射过去,而在该表面上发生反射。LED 光源发出的光首先从透镜下表面中心区域的入射面进入透镜,然后在透镜上表面中心区域的金属化表面发生反射或者在透镜上表面外围区域的出射面发生全反射后,射向透镜下表面外围区域的金属化表面,透镜下表面外围区域的金属化表面经反射后以平行光束从透镜上表面外围区域的出射面射出。金属面透镜需要在透明材料上进行部分表面金属化的加工,生产工艺相对比较复杂,制造精度要求也比较高。

图1.27　金属面透镜的准直系统