非成像光学理论及常用的设计方法

度学与非成像光学在LED照明系统中的应用

摘要

北京麋鹿生态实验中心

发光二极管(LED，Light Emitting Diode)被认为是人类历史上继火焰、白炽灯、荧光灯之后的第四代光源。与传统光源相比，LED有着能量转换效率高，寿命长，体积小，无污染等多种优点。再加上其节能环保的特点，各国都竞相将其作为重点产业大力发展。

白光LED主要由蓝LED激发黄光荧光粉产生，或利用红、绿、蓝三原合成。本文根据“1931CIE标准度系统”，对两原组成的混合，推导出混合的度坐标与两原度坐标和光通量的关系式。通过三原两两混合配光实验，验证推导公式的正确性。并提出一项应用此公式求荧光粉度坐标的实验方案。

非成像光学在LED照明系统光学设计中应用广泛。本文介绍了目前较为常用的三种照明系统设计方法（微分方程法，多参数优化法以及SMS法）和三种照明光学系统设计软件（TracePro，ASAP、Lighttools ）。最后介绍了一项应用区域分割法对LED 路灯进行光学设计的方案。

关键词：LED，度坐标，混合配光，非成像光学，道路照明

The Application of Chromaticity and Non-imaging Optics

工业加热

in LED Illumination

Abstract

Ligth Emitting Diode(LED) is considered as the fourth-generation light source after Flame , Incandescent and Fluorescent in the history of mankind. Compared with traditional light sources , LED has high energy conversion efficiency, long life, small size, environment friendly and other advantages , so stats are competing to develop it as a key industry.

To generate white LED , we can use blue LED chip to explode yellow phosphor, or use the trichromatic of red, green and blue to composite . This paper base on "1931CIE standard color system", for any color which composite of two primary color , the relation between the chromaticity coordinates of mixed color and the two primary color chromaticity coordinates and flux is derived. The formula is proved correct by the experiment mixed with any two of the trichromatic. According to this formula , present a perimental program to calculate the phosphor chromaticity coordinates.

LED Non-imaging optics has been widely used in illumination system. In this paper ,We presents three more commonly used methods of illumination system design（ultiparameter optimization , partial differential equations and SMS）and three illumination optical system design software(TraceP

ro、ASAP 、Lighttools ). In the end，I introduce a idea of region division for the optical design of LED street lights．

Key words：LED , Chromaticity coordinates , Color Matching , No-inmaging optics Street lighting

摘要 ................................................................................................................................................................ I Abstract ..........................................................................................................................................................II 第一章绪论 (1)

1.1 LED的发展现状 (1)

1.2 LED的封装结构 (1)

1.3 白光LED的技术原理及照明系统光学设计 (3)

1.3.1 白光LED的发光机理 (3)

1.3.2 LED照明系统的光学设计 (4)

1.4 论文的研究内容及意义 (7)

第二章LED光源配制度坐标理论计算与实验验证 (9)

2.1 度学原理 (9)

2.1.1 CIE1931RGB 真实三原表系统 (9)

2.1.2 1931CIE-XYZ标准度系统 (15)

惠普收购康柏

2.2 LED光源配光制过程中混合光的度坐标推导计算 (17)

2.3 以红绿蓝三原配光实验验证（2-13）式的正确性 (19)

2.4 用三基原理测荧光粉度坐标实验方案 (22)

第三章非成像光学理论及常用的设计方法 (24)

3.1 非成像光学相关概念 (24)

3.1.1 基本概念 (24)

3.1.2 汇聚比与理论最大值 (24)

3.1.3 光学扩展量(étendue) (26)

3.2 光学自由曲面构造 (27)

3.2.1 多参数优化法 (28)

3.2.2 微分方程构造自由曲面 (33)

3.3 多表面同时设计法SMS法 (39)

第四章LED照明系统中的光学设计 (41)

4.1 光学设计中常用的计算机模拟软件 (41)

4.2 照明光学系统计算机辅助设计的基本步骤 (42)

4.3 白光LED 应用于道路照明的设计 (42)

总结与展望 (47)

参考文献 (48)

芮成钢领导者致谢 (49)

外文原文 (50)

中文翻译 (59)

第一章绪论

1.1 LED的发展现状

自20世纪60年代初首只GaAsP红发光二极管(以下简称LED)问世以来，经过40年的努力，LED的研究和生产得到迅速发展。从GaAsP、GaAlAs到InGaAlP，红LED 的发光效率提高了近1000倍。20世纪90年代初，以氮化物为代表的宽禁带半导体材料获得了突破，在GaN基材料上实现了蓝和纯绿发光，填补了半导体短波发光的空白，经过短短的几年，其效率已经接近或赶上红LED，使得LED成为三基完备的发光体系。LED正在逐步由传统的信息显示和指示向照明领域扩展。LED将成为继火焰、白炽灯、荧光灯之后的第4代照明光源。

巨大的市场潜力引起各国政府的高度重视，美国专门制订了“国家半导体照明计划”日本制订了“21世纪光计划”，欧盟体制订了“彩虹计划”，韩国制订了“GaN半导体开发计划”。我国政府也十分关注半导体照明技术的发展, 于2003年6月成立了“国家半导体照明工程协调领导小组”，并于2003年底紧急启动了国家科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发计划”。美国在半导体照明发展规划中明确提出了到2020年的发展目标，预期到2020年白光LED的效率将达到200 lm/W，这是一个十分诱人的数字。我国也制订了“十一五”的发展目标，预期到“十一五”结束，白光LED的效率将达到130 lm/W，蓝光芯片的效率达到350 mW/W。国际上掀起了一股半导体照明的热潮。

之所以LED照明发展如此迅速，是因为与传统照明光源相比，LED在很多方面占有优势，LED照明光源寿命长，一般在十年以上，能量转换效率高，高的能量转换效率就意味着获得相同光照的情况下可以节省更多的光能；体积小、方向性强，便于光学设计、减少系统的能量损失；颜饱和度高，无需滤光；不含红外和紫外光；固态照明，保护环境；低工作电压，且能在低温工作。

1.2 LED的封装结构

随着LED照明产业的飞速发展，LED的封装形式也在不断发展。当前LED的封装包

括传统的直插型、PPA(Polyphthalamide聚对苯二酰对苯二胺，又称工程塑料)框架式、电热分离功率型等几种典型的结构[1]。如图1-1是应用最为广泛的直插型红光LED。如常规的型LED封装是将

边长约0.2mm的正方形芯片粘结在引线架上，芯片的正极通过球形接触点与金丝键合为内引线与一条管脚相连，负极通过反射碗和引线架的另一管脚相连，然后其顶部用环氧树脂包封起来，与外界隔绝。

草原生态保护补助奖励机制管理信息系统图1-1直插型LED 图1-2 食人鱼型LED

另一种是Piranha(食人鱼型)LED，如图1-2，也就是PPA框架式，它的封装形式与类似，只是引脚分布形式和外形有所不同。

图1-3是欧司朗光电半导体公司专为车灯市场开发的一款LED—Snap-LED，通过其专利的TS (transparent structure)透明衬底芯片技术，使其光通量达到3～61m(I f=150mA 红、黄光)，一般1只车灯需要30-50颗一起使用，应用较复杂，发热量高。虽然采用高性能的抗Uv环氧树脂封装，但由于环氧树脂固有的缺陷，无法完全避免因长时间高温工作发生黄变而影响光输出。

图1-3 Lumilde Snap 型LED

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