自由曲面光學與綠色照明

隨著科技的不斷發展,各種高附加值産品的光學組件,已經轉向具有微結構特點的、非回轉對稱的複雜自由曲面光學元件。自由曲面光學元件的面形不同于傳統的球面透鏡、棱鏡及反射鏡等光學元件的面形。它是一種複雜的、不規則的、非球面的、甚至是非回轉對稱的各種變形透鏡、棱鏡及反射鏡,隨意組合的自由曲面面形。用它構成的光學元件,可滿足各種不同光電資訊系統資訊發送、接收、轉換傳遞與存儲的特殊需要。由于大多數自由曲面的面形構造複雜,不可能用傳統的少量的參數給出準確的定義,通常是采用一系列離散型值點來表示其面形。自由曲面光學元件已被用於各種高精度的成像系統隨著LED的急速發展,自由曲面光學元件亦被廣泛應用于LED照明産品上。

一)LED的應用

LED 光源在照明領域的應用,是半導體發光材料技術高速發展及“綠色照明”概念逐步深入人心的必然産物。“綠色照明”理念是國外照明領域在上世紀 80 年代末期提出的,實現該計畫之重要步驟就是要發展和推廣高效、節能的照明器具,節約照明用電,减少環境及光污染,建立一個優質高效、經濟舒適、安全可靠、有益環境的照明系統。被稱爲第四代光源的半導體照明(LED)晶片,理論壽命可達10萬小時,相似照度下的能耗僅爲白熾燈的十分之一,是最具發展潜力的高技術領域之一。

LED 以其固有的優越性正吸引著世界的目光。根據市場上的研究及調查報告,美國、日本等國家和臺灣地區對 LED 照明效益進行了預測,美國 55% 白熾燈及 55% 的日光燈被 LED 取代,每年節省 350 億美元電費,每年減少 7.55 億噸二氧化碳排放量。日本 100% 白熾燈換成 LED ,可減少 1 – 2 座核電廠發電量,每年節省 10 億公升以上的原油消耗。臺灣地區 25% 白熾燈及 100% 的日光燈被白光 LED 取代,每年節省 110億度電。日本早在 1998 年就編制〝21 世紀計畫〞,針對新世紀照明用 LED 光源進行實用性研究。近年來,日本日亞化工、豐田合成、 SONY 、住友電工等都已有 LED 照明産品面世。世界著名的照明公司如飛利浦、歐司朗、 GE 等也投入大量的人力物力進行 LED 照明産品的研究開發和生産。美國 GE 公司和 EMCORE 公司合作成立新公司,專門開發白光 LED ,以取代白熾燈、緊湊型螢光燈、鎢燈和汽車燈。德國歐司朗公司與西門子公司合作開發 LED 照明系統。臺灣目前的 LED 產量僅次於日本列在美國之前,從 1998 年開始投入 6 億台幣進行相關開發工作。

隨著大功率LED在燈光裝飾和照明中的普遍使用,大功率LED作爲道路照明的燈源已經成爲很多城市道路照明的選擇。道路照明燈是使用時間最長而且耗電最大的燈,路燈采用LED作爲燈源可以大大减輕城市的電力能源緊缺,節約國家能源。由於路燈都是橫插式的,使用LED製造路燈只能製成單面發光,只需在安燈泡時調正位置,就可以達到與傳統照明同樣的光照效果。一個完善的道路照明系統一般是由燈源,電纜綫,以及供電系統來組成,由于LED耗電省、電壓低、電流小,安裝電纜的截面相應减小,節約了安裝成本。

二 )一般LED 光源的限制

大部分LED光源的輻射角分佈為110度至120度的郎伯分佈(Lambertian distribution),照在地面上的光型將會爲面積較大的圓型的光斑,約50%的光散落到馬路之外而損耗掉,而且會對遠處的車輛或行人産生眩光,與路面照明的要求不符(見圖一左邊所示)。

三 )LED路燈

本實驗室研發了自由曲面的光學設計技術,可以對LED光源進行非常有效的二次光學配光(見圖一右邊所示),關於 LED路燈的配光設計有很多種,最常見的兩種是:

第一種是弧形排列的LED路燈。單個LED模組采用軸對稱的全反射透鏡(見圖二)或反光杯進行配光,透鏡配光的輻射角寬度足以覆蓋道路的寬度;再將LED模組排列在一個弧面上,在道路方向産生一個長方形的光型分布。圖三為弧形排列的一個LED路燈的設計,路燈采用了72顆高功率LED,單顆LED的輸出光通量爲60流明。透鏡設計採用軸對稱的全反射—折射結構,先將郎伯分佈LED光源的光準直,然後再通過透鏡上表面的凹形非球面擴散,形成±27.5°的光度分佈(在10米高處覆蓋約2.5個車道的寬度)。LED透鏡模組再排列在一個弧面上,弧面方向形成±60°左右的配光,於是在10米的高度產生約長度約35米,覆蓋2.5個車道寬度約為8米的方形的光型。

這種LED路燈的二次光學元件(透鏡或反光杯)的設計和加工較爲簡單,引入全反射透鏡可以最大可能地提高光的利用效率,透鏡需要産生一定的角度分布足以在要求的高度位置覆蓋住所需的道路寬度,而道路方向的配光則通過LED排列的弧面來調整。采用弧形的排列使高功率LED的散熱板設計和燈頭的結構設計較爲複雜。

第二種是平面排列的LED路燈(見圖五)。LED路燈的設計采用了XY方向非對稱長方形配光的自由曲面光學元件(見圖四),長方形的配光直接在單個LED光學元件上完成,整體路燈只需將具有長方形配光的LED模組簡單的排列在一個平板上即可,這種LED路燈在機械結構、散熱、及電源控制方面比較簡單,不同等級公路和不同燈杆高度的道路照明只需要增加不同數量的LED模組即可。由于配光爲長方形非對稱的分布,較爲簡單的軸對稱的全反射透鏡無法實現,需要采用非對稱自由曲面的透鏡,透鏡的設計和加工工藝比較複雜。

由於一般的光學軟體(如Zemax, CodeV等)針對自由曲面的優化設計方法不够成熟,設計一個非對稱的自由曲面需要花很多的時間用手工不斷反復的調整和設置操作參數,一個比較複雜的自由曲面往往需要多達一個月甚至幾個月的時間,有時所設計曲面,其光學效率還不理想。這裏采用了邊緣光綫擴展度(Etendue)守恆的原理創建了一套自由曲面控制網格的節點向量的精確計算方法,可以在較短時間內(一般爲幾個小時甚至更短)優化出具有最優效率及精確配光的自由曲面光學元件。

二次光學配光的好處

  • 符合國家《城市道路照明設計標準》所要求的長方形的光斑
  • 提高光學效率
  • 避免產生眩光
  • 將配光所產生的光學損耗降至最小
  • 光學效率達到80%以上
  • 大大提高路面照度分布的均勻性,均勻度可達70%~80%

四)LED 汽車照明系統

LED車頭燈的許多優勢爲汽車照明帶來了革命性的發展,包括提高安全標準(反應時間短),設計具有靈活性,改善包裝、減少能源損耗及增長產品的可用壽命。LED 前照燈的靈活設計更能使廠商在保有前方照明和轉彎側面照明的功能下突出自己獨有的全新設計。除此之外,一些LED前照燈的款式是不能配合現時的車頭燈技術,例如:鹵素燈(Halogen)及高強度氣體放電燈(HID)。 LED 前照燈比非 LED前照燈的厚度薄百分之五十五以上,所以留下的空間可以給引擎室或在散熱格柵上加上裝飾花紋。

設計原理見圖七,朗伯型LED向上布置,把一個自由曲面複合橢球面反光杯放在LED的上面,從而將光集中到反光杯的出口邊緣。同時,反光杯內的聚焦點正好是LED放置的位置。而反光杯外的聚焦點會隨著光綫的不同出射角而改變聚焦點。

由垂直至橫向方向的光綫,聚焦點由 FV¢轉到 FH¢。比較短的 FV¢集中在反光杯的邊緣,這是由垂直方向形成的光線所組成,而橫向方向的光綫就聚焦在離較短的FV¢2mm逺的較長的FH¢ 上。 由于反光杯是一個漸變聚焦的系統,光綫由LED發出,再在反光杯聚焦,形成極狹長的橢圓形光斑于反光杯的邊緣上,在右下方放一個15度斜角的擋板來整形光斑。

圖八顯出LED車頭燈低光束的光線追蹤。 如用光學設計軟件 LightTools可追踪約五百萬條光綫,其車頭燈模擬結果可參考圖九。於25米的距離遠的接收屏幕上,最大的光照度可達到 140 勒克斯(lux)。光强較强的熱點接近原點,這是橫向 H’-H’線的及垂直的 V’-V’ 綫的交叉點,而這個熱點可提高道路方向上較遠的光照。

于左邊橫向方向上的切割綫可令對面行車綫司機不受到刺眼的强光影響。此外,當位於光斑左邊的15度切割綫促成右邊行人道上的照亮度,但幷不會使道路上的行人目眩,而光斑也絕對符合歐洲機動車法規(ECE standard)。

五)超精密加工技術國家重點實驗室(暨先進光學製造中心)

超精密加工技術國家重點實驗室設立于香港理工大學(見圖十)。項目組在自由曲面光學設計,加工及測量上做了大量的研究工作,率先提出了:《開拓用于光電技術及通訊産品的自由曲面光學組件之設計及製造能力》的研究課題,建立了自由曲面光學設計, 加工, 測量一體化的集成平臺,大大縮短了産品研發的周期,提高産品的加工精度及質量, 有助解决國際上對複雜自由曲面光學元件在設計、超精密加工及測量技術的核心技術難點及瓶頸,幷擁有自主的知識産權,减少依賴國外的技術, 縮短了我國在自由曲面光學製造技術上與國外的差距,使我國的自由曲面光學在光電産品, 光通訊産品及航天中的應用可達世界先進水平。其成果獲得國家教育部技術進步獎二等獎。

項目組將其研發成果及技術轉移及應用到不同的LED照明産品上,如LED路燈, 背光照明及室內照明等。實驗室中心擁有先進的超精密加工設備及測量設備,並為工業界提供一站式的服務,包括:自由曲面及非球面光學産品的設計、光學塑膠産品的原型製造、超精密加工光學模芯、精密模具的設計及製造、超精密表面測量、精密光學塑膠産品的注塑成形及大量生産。此外,中心也致力于技術推廣,與工業界合作研究開發新産品,以應對不同市場的需求。