1.3.幾何光學(xué)

目前，幾何光學(xué)已被廣泛應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。成像光學(xué)和非成像光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)都必須以幾何光學(xué)的理論為基本依據(jù)。幾何光學(xué)中有四大基本定律，分別是光的直線傳播定律、獨(dú)立傳播定律、折射定律和反射定律。

(1)光的直線傳播定律。該定律主要說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題，即在均勻且同性的介質(zhì)中，光是沿著直線進(jìn)行傳播的。

(2)光的獨(dú)立傳播定律。由不同光源發(fā)出的光束以各種不同的方向經(jīng)過(guò)位于空間中的某一點(diǎn)時(shí)，彼此之間均是獨(dú)立存在且互不發(fā)生影響。

(3)光的反射定律。入射、反射、投射三種光線位于同一平面內(nèi)時(shí)，反射角與入射角絕對(duì)值相等、符號(hào)相反，而此時(shí)入射和反射光線則會(huì)位于投射點(diǎn)法線兩側(cè)。

(4)光的折射定律。與反射定律比較類似，也是當(dāng)三種光線位于同一平面內(nèi)，入射角與折射角的正弦之比與角度的大小不發(fā)生關(guān)系，主要與介質(zhì)的具體性質(zhì)有關(guān)。

2.LED的特點(diǎn)及分類

在介紹LED的特點(diǎn)和分類之前，首先讓我們了解一下LED的概念，所謂的LED是英文Light Emitting Diode的縮寫，中文意思就是發(fā)光二極管，它是一種可以將電能轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的半導(dǎo)體器件，該器件常以固態(tài)形式存在。LED中的關(guān)鍵核心是半導(dǎo)體晶片，該晶片主要由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩個(gè)部分構(gòu)成。

2.1.LED的主要特點(diǎn)

由于LED采用的是電場(chǎng)發(fā)光的原理，其特點(diǎn)十分明顯，具體可歸納為以下幾個(gè)方面：

(1)使用壽命長(zhǎng)。一般的LED使用壽命均能夠達(dá)到10年左右。這是因?yàn)長(zhǎng)ED與以往傳統(tǒng)的光源不同，其不會(huì)發(fā)生突然不工作或是像鎢絲燈一樣突然燒壞，它的損壞主要是伴隨著時(shí)間的不斷推移而導(dǎo)致發(fā)光性能慢慢減弱。如由飛利浦公司制造的LUXEON系列產(chǎn)品，在使用5萬(wàn)小時(shí)后，其發(fā)光強(qiáng)度還能保持在初始值的70%左右。

(2)維護(hù)費(fèi)用較低。正常情況下，與普通光源相比LED的使用壽命相當(dāng)于它們的10倍以上，從而使光源替換的成本大幅度減少，相應(yīng)地維護(hù)費(fèi)用及人力成本也隨之降低。

(3)能耗低。與熒光燈或白熾燈相比，LED的發(fā)光效率要高出很多。由格力公司出品的XR-E型號(hào)的LED發(fā)光率能夠達(dá)到1001m/W 以上。從節(jié)約能源的角度上講，能量轉(zhuǎn)換效率越高就表示在同等光照下電能消耗的越少，這也是LED的最大優(yōu)勢(shì)之一。

(4)體積小。這一特點(diǎn)主要是針對(duì)LED芯片而言的。現(xiàn)階段的LED芯片體積最小能夠達(dá)到毫米級(jí)。如由美國(guó)Lumileds研發(fā)制造的Rebel，其封裝以后的體積僅為3x4.5x2.1(單位mm)，芯片大小僅為lmmx lmm。如此之小的體積非常便于光學(xué)設(shè)計(jì)，而且還能有效地減少系統(tǒng)的能量損耗。

(5)方向性強(qiáng)。就光照的距離而言，LED絕對(duì)可以當(dāng)做點(diǎn)光源來(lái)設(shè)計(jì)。一般在進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)步驟習(xí)慣將所需的光源拆分成若干個(gè)點(diǎn)光源，這些光源則可利用LED代替。同時(shí)LED還可以分布在某一個(gè)物體的表面上，并模擬該形狀的物體進(jìn)行發(fā)光，如景觀照明、建筑輪廓照明等。

(6)固態(tài)照明，綠色環(huán)保。LED屬于固態(tài)照明光源，其中不含有容易破碎的玻璃材質(zhì)，耐沖擊和抗震動(dòng)性能較高，所以能夠在較為惡劣的環(huán)境中使用。同時(shí)LED不含有汞等有毒有害物質(zhì)，環(huán)境友好程度較高。此外，LED中也不含紅外或紫外光，不會(huì)對(duì)被照射物體產(chǎn)生傷害，而且也有效地提高了光能的利用率。

(7)工作電壓低，適宜在低溫條件下工作。LED的主要工作方式為低壓直流供電，這一特點(diǎn)使其安全性得以充分體現(xiàn)。同時(shí)它還可以在溫度較低的條件下工作，實(shí)驗(yàn)證明可在-40攝氏度的條件下工作，基于此點(diǎn)，其能夠應(yīng)用于冰箱內(nèi)的照明系統(tǒng)及汽車照明系統(tǒng)中。