0 引言

LED具有節(jié)能、 環(huán)保、 高效、 壽命長及耐惡劣環(huán)境等優(yōu)勢， 即將成為新一代照明光源。 在電子信息產(chǎn)業(yè)的帶動下，LED市場近幾年一直保持著穩(wěn)步增長的發(fā)展態(tài)勢， 包括背光源、 信息顯示、 交通信號燈、 汽車用燈以及半導(dǎo)體照明等。目前市場份額幾十億甚至有的上千億， 其中半導(dǎo)體照明應(yīng)用最為廣泛、 潛在市場最大， 根據(jù)其范圍可以分為以下幾類： 室外景觀照明、 室內(nèi)裝飾照明、 專用照明、 安全照明、 特種照明、 普通照明等。

傳統(tǒng)的成像光學(xué)設(shè)計更注重成像過程中圖像信息的保存， 對光源能量的分布則放在次要的位置。LED光源體積小， 其光強分布隨出射角的增大而迅速衰減， 可以近似視為郎伯光源， 要達到給定區(qū)域內(nèi)的光照效果， 必然中心部位光照過強， 這樣就造成不必要的光損耗， 而且還不利于人眼健康。在高效節(jié)能的今天， 這樣的光源很難滿足現(xiàn)今人們對照明的要求，需要根據(jù)不同的應(yīng)用場合來調(diào)整LED的輸出光強， 這樣的光學(xué)設(shè)計屬于非成像光學(xué)范圍。

不同維度的空間中非成像光學(xué)面臨的問題具有不同的難度。 二維空間的非成像光學(xué)主要研究具有一定對稱性的， 如旋轉(zhuǎn)對稱和平移對稱的光學(xué)系統(tǒng)， 只要求解二維輪廓線然后將其旋轉(zhuǎn)或者平移獲得相關(guān)的光學(xué)曲面。 雖然對稱性對非成像光學(xué)問題進行了一定的簡化，方便了求解，但是對稱性本身就會制約傳輸效率的進一步提高， 而且對于給定非對稱的照明區(qū)域， 該方法已不再適用。 因此， 需要從根本上解決能量傳輸效率及能量分配的問題， 目前非成像光學(xué)主要面臨的是如何將求解空間拓展到三維領(lǐng)域， 設(shè)計不具有對稱性的光學(xué)系統(tǒng)。

1 非成像光學(xué)研究現(xiàn)狀非成像光學(xué)是 20 世紀 70 年代以來逐步從國外發(fā)展來的， 是專門研究光線能量傳輸問題的一門新的光學(xué)理論。與傳統(tǒng)成像光學(xué)相比， 更加關(guān)注能量的傳輸效率及其在空間和方位角的分配， 能夠使用一個給定的光源在一個目標(biāo)屏幕上面形成特定的照度分布。

非成像光學(xué)最開始是研究太陽能的收集問題， 也就是光線耦合問題，當(dāng)時主要的研究人員有美國芝加哥大學(xué)Fermi 研究所的R.Winston 和O'Gallagher.J； 倫敦大學(xué)帝國學(xué)院Blackett 實驗室的W.T. Welford。隨著非成像光學(xué)的不斷發(fā)展， 20 世紀80 年代末，關(guān)于能量收集和控制的理論體系逐步完善， 為了解決如何將郎伯光源轉(zhuǎn)換成具有一定發(fā)射角的光束并且無雜散光的問題， 產(chǎn)生了邊緣光線理論—the edge-ray method，隨后便出現(xiàn)了基于非成像光學(xué)的太陽能收集器—— —非成像聚光器以及具有高度對稱的球面反射器[1-2]。 在能量收集和傳輸效率方面都遠遠超過傳統(tǒng)的光學(xué)成像器件。

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