关于特种照明中大功率LED二次光学设计的关键理论研究

High-power LED has a great superiority and application potential in special lightning, such as Ultra-long distance illumination, ultra-large area illumination and special visual angle illumination。However，as a kind of extended source, it is encountering a series of key scientific problems of secondary optical design, which seriously restricts the development of this industry.. In this project, for the high-power LED, optical elements with freeform surfaces will be constructed by the method of refractive index pre-compensation or equivalent substitution of objective irradiance distribution to obtained uniform illumination. This project will also explore the key factors determining the maximum lightning distance by synthesizing the theory of non-imaging optics and imaging optics, find the balance between collimation of the outgoing beam and energy efficiency of source, and expand the lightning distance. Based on the study of relationship between the number of freeform surfaces in optical system and the degree of freedom of outgoing beam, a kind of optical element with double completely unrestrained freeform surfaces is proposed to control simultaneously the direction and the spatial energy distribution of outgoing beam.. The all theoretical and experimental investigation about secondary optical design for high-power LED mentioned above, is important to the light distribution theory of extended source, and will promote the manufacture of lamps and lanterns for special lightning, including high-pole lamp, ultra-long distance searchlight, exposure light Source of lithography machine, solar simulator and backlight module of special display, and the development of related industries.

大功率LED在超远距离准直照明、超大面积匀光照明和特殊视角照明等特种照明领域具有极大的优势和应用潜力，但作为扩展光源，其二次光学设计中所存在的一系列关键科学难题，严重制约了该产业的发展。. 针对大功率LED，本项目拟采用折射率预补偿和目标照度分布等效替代技术，构造自由曲面配光元件以实现匀光照明；综合非成像光学和成像光学的相关理论，探究准直照明中决定最大照明距离的关键因素，寻找出射光束准直度与光源能量利用率之间的平衡，拓展照明距离；基于对配光光学系统中自由曲面个数与出射光束自由度之间关系的研究，提出完全无约束的双自由曲面配光技术，实现对出射光束的方向和能量分布的同时控制。. 以上关于大功率LED二次光学设计的理论和实验研究，不仅对完善扩展光源的配光理论有重要意义，还将推动高杆灯、超远距离探照灯、光刻机曝光光源、太阳光模拟光源和特殊显示背光模组等特种照明灯具的研制，促进相关产业的发展。

大功率LED在特种照明领域具有极大的优势和应用潜力，但作为扩展光源，其二次光学设计中所存在的一系列关键科学难题。. 本项目即以扩展光源的二次光学设计为研究对象，针对大功率LED匀光照明，提出了折射率预补偿方法，研究结果显示，采用该方法所设计的自由曲面配光元件，其匀光配光效果有极大改善；并对目标照度分布等效替代技术做了初步研究；基于反射补偿方法所设计的自由曲面反射器可在极短的距离内实现匀光照明，光效极高。. 项目综合非成像光学和成像光学的相关理论，研究了扩展光源准直照明系统出射光束的发散特性，找出了准直照明中决定最大照明距离的关键因素，对准直照明系统的横向和纵向尺寸参数做了优化，平衡了出射光束准直度与光源能量利用率之间的矛盾，极大的拓展了照明距离。利用光学软件仿真，分析了采用折射-全内反射复合型配光元件的准直照明系统的照明特性，并与同口径的平凸型准直配光透镜的准直配光效果进行了对比，发现前者的光通量利用率和发散角明显高于后者，而后者的照明光斑的照度均匀性更优，二者的光强大小基本相同。. 项目还提出了完全无约束的双自由曲面配光技术，实现对出射光束的方向和能量分布的同时控制。. 此外，项目还对配光元件的吸收反射损耗的计算做了研究，无需光学软件模拟，根据元件材料的光学特性和配光元件的面型数据即可精确估算出配光元件的损耗大小。. 综上所述，本项目所涉及的关于大功率LED二次光学设计的理论和实验研究，不仅对完善扩展光源的配光理论有重要意义，还将对推动高杆灯、超远距离探照灯、光刻机曝光光源、太阳光模拟光源和特殊显示背光模组等特种照明灯具的研制、促进相关产业的发展具有重要意义。