非成像光学应用于LED照明探析现阶段，在全球能源日益短缺
现阶段，在全球能源日益短缺的形势下，节能降耗现已成为我们不得不面对的严峻问题。照明系统在带给人们光明的同时，也无时无刻不在消耗着电能，为了尽可能减少电能的消耗，节能照明系统受到人们越来越多的关注。LED以其能耗低、使用寿命长、经济性高等特点，现已在诸多领域内被广泛应用。以往的LED照明系统设计都是在实验内利用模型来完成，设计完成后一旦发现其光学特性不符合要求时，就必须得重新设计，从而浪费了大量的人力和财力。随着应用光学的不断发展和进步，非成像光学
简介：
现阶段，在全球能源日益短缺的形势下，节能降耗现已成为我们不得不面对的严峻问题。照明系统在带给人们光明的同时，也无时无刻不在消耗着电能，为了尽可能减少电能的消耗，节能照明系统受到人们越来越多的关注。LED以其能耗低、使用寿命长、经济性高等特点，现已在诸多领域内被广泛应用。以往的LED照明系统设计都是在实验内利用模型来完成，设计完成后一旦发现其光学特性不符合要求时，就必须得重新设计，从而浪费了大量的人力和财力。随着应用光学的不断发展和进步，非成像光学理论及其方法也随之完善。基于此点，本文就非成像光学应用于LED照明进行浅谈。
1、非成像光学及其相关概念
1.1 非成像光学
与以往传统的成像光学不同，非成像光学注重的并非是光源能够在目标平面上成像及成像后的质量，其主要关注的是光源的能量利用率以及该能量在方位角及空间内的具体分布情况。在成像光学系统中，其主要传递的是物点的光强度及位置信息，而在非成像光学系统中，则主要是对物点能量进行传输及重新组合与分配。
1.2 能量收集率
非成像光学主要关注的是能量的分配，如果建立一个如图2所示的非成像光学器件模型时，从中便可以清楚的看到，A所代表的平面是入射孔径面积，而A 所在的平面则是出射孔径面积。下面我们假设该器件的出射孔径面积A 能够让全部光线都透过这部分面积出射，入射光束面积与出射光束面积这两者之间的比值c就是能量收集率。通常情况下，2D系统中能量的最大收集率为C2D=l/sin，而在旋转对称的3D系统当中，最大收集率为C3D=1/sin2θ。能量收集率的概念主要应用于对非成像光学系统的评估当中。
1.3 几何光学
目前，几何光学已被广泛应用于光学系统的设计当中。成像光学和非成像光学系统在设计时都必须以几何光学的理论为基本依据。几何光学中有四大基本定律，分别是光的直线传播定律、独立传播定律、折射定律和反射定律。
(1)光的直线传播定律。该定律主要说明了一个问题，即在均匀且同性的介质中，光是沿着直线进行传播的。
(2)光的独立传播定律。由不同光源发出的光束以各种不同的方向经过位于空间中的某一点时，彼此之间均是独立存在且互不发生影响。
(3)光的反射定律。入射、反射、投射三种光线位于同一平面内时，反射角与入射角绝对值相等、符号相反，而此时入射和反射光线则会位于投射点法线两侧。
(4)光的折射定律。与反射定律比较类似，也是当三种光线位于同一平面内，入射角与折射角的正弦之比与角度的大小不发生关系，主要与介质的具体性质有关。
2、LED的特点及分类
在介绍LED的特点和分类之前，首先让我们了解一下LED的概念，所谓的LED是英文Light Emitting Diode的缩写，中文意思就是发光二极管，它是一种可以将电能转化为可见光的半导体器件，该器件常以固态形式存在。LED中的关键核心是半导体晶片，该晶片主要由P型半导体和N型半导体两个部分构成。
2.1 LED的主要特点
由于LED采用的是电场发光的原理，其特点十分明显，具体可归纳为以下几个方面：
(1)使用寿命长。一般的LED使用寿命均能够达到10年左右。这是因为LED与以往传统的光源不同，其不会发生突然不工作或是像钨丝灯一样突然烧坏，它的损坏主要是伴随着时间的不断推移而导致发光性能慢慢减弱。如由飞利浦公司制造的LUXEON系列产品，在使用5万小时后，其发光强度还能保持在初始值的70%左右。
(2)维护费用较低。正常情况下，与普通光源相比LED的使用寿命相当于它们的10倍以上，从而使光源替换的成本大幅度减少，相应地维护费用及人力成本也随之降低。
(3)能耗低。与荧光灯或白炽灯相比，LED的发光效率要高出很多。由格力公司出品的XR-E型号的LED发光率能够达到1001m/W 以上。从节约能源的角度上讲，能量转换效率越高就表示在同等光照下电能消耗的越少，这也是LED的最大优势之一。
(4)体积小。这一特点主要是针对LED芯片而言的。现阶段的LED芯片体积最小能够达到毫米级。如由美国Lumileds研发制造的Rebel，其封装以后的体积仅为3x4.5x2.1(单位mm)，芯片大小仅为lmmx lmm。如此之小的体积非常便于光学设计，而且还能有效地减少系统的能量损耗。
(5)方向性强。就光照的距离而言，LED绝对可以当做点光源来设计。一般在进行光学设计时，为了简化设计步骤习惯将所需的光源拆分成若干个点光源，这些光源则可利用LED代替。同时LED还可以分布在某一个物体的表面上，并模拟该形状的物体进行发光，如景观照明、建筑轮廓照明等。
(6)固态照明，绿色环保。LED属于固态照明光源，其中不含有容易破碎的玻璃材质，耐冲击和抗震动性能较高，所以能够在较为恶劣的环境中使用。同时LED不含有汞等有毒有害物质，环境友好程度较高。此外，LED中也不含红外或紫外光，不会对被照射物体产生伤害，而且也有效地提高了光能的利用率。
(7)工作电压低，适宜在低温条件下工作。LED的主要工作方式为低压直流供电，这一特点使其安全性得以充分体现。同时它还可以在温度较低的条件下工作，实验证明可在-40摄氏度的条件下工作，基于此点，其能够应用于冰箱内的照明系统及汽车照明系统中。
2.2 LED分类
当前，由于LED有着十分良好的市场前景，所以LED的生产厂商也越来越多，我国对于LED的分类尚无统一的标准。通常情况下，可按照芯片功率、颜色及波长等进行分类。
(1)芯片功率。按照LED芯片功率的大小可分为以下几种类型：
①输出功率为几十mW 的单灯，即小功率芯片;
②功率LED。泛指输入功率小于1W 的LED;
③ 大功率LED。具体是指输入功率≥1w 的LED。
(2)发光颜色及波长。不同的波长决定了光的不同颜色。按照LED的光波波长可分为红外接收管和反射管以及波长短于390nm的紫外光LED等。
3、非成像光学在LED照明系统设计中的具体应用
LED照明系统在进行设计时，应首先确定设计要求及条件，如材料、照明系统结构、光源分布情况等，按照这些相关的要求来确定其属于何种光学设计，即2D系统、旋转对称系统或是3D系统，然后按照具体的光学设计选择不同的设计方法。而LED芯片尺寸的大小一般可忽略不计，同时为进一步简化设计步骤可采用点光源的方案进行设计。
3.1 光耦合系统设计
通常情况下，在投射灯、投影仪光源以及夜景照明系统等实际应用过程中，常常会需要一个准直投射的面光源。具体一点讲就是需要获得一个具有相对较小投射角的面光源，当光线投射到被照物上时，经过漫反射便会被人眼捕捉到。我么可以将LED芯片看作是一个近似的朗伯光源，它的发散角度相对较大，并且远场分布情况也无法满足要求。同时由单颗功率型的LED芯片所输出的光能也达不到实际要求的光亮度。为此，准直LED光学系统不但要实现LED芯片发出的光在较大面积上的准直输出，而且还必须便于扩展。有些设计为了实现准直光源通常会利用二次光学元件，所谓的二次光学元件具体是指准直透镜与封装后的LED配合使用，并以此来实现准直。但是采用这种方法设计出来的LED照明系统会存在一定的缺陷，即透镜与LED之间的空气隙造成的额外损耗。下面假设一下直接用_个准直透镜对芯片进行封装，来防止空气隙的产生。由于需要旋转对称性所以将封装透镜设计成为帽型。此时LED芯片作为照明系统中的光源，其会浸没在透镜当中，由LED所发出的光源通过三种不同方式进行准直。为了进一步实现较大面积的准直光源，在设计时要求透镜必须具有一定的可扩展性。故此可将透镜上表面设计成正六边形，这样便能够使封装之后的LED光场全部集中于较小的发射角内，从而实现准直光源的要求。
3.2 室内照明光源设计
由于室内的照明光源很容易被人眼所直视，所以它的发光面应尽可能均匀、柔和。同时因室内照明必须具有较大的范围，这就要求发散角应至少大于120°。为尽可能满足这些要求，并确保光源能够得到最好地利用，就必须使LED照明所发出的光源能够均匀且发散地照射到发光面上。因为室内的主光源一般都会设置在房间的中心位置处，从而使得其光场形状具有旋转对称性。因此，在给定分布的设计过程中，不但要控制好光线的出射角，而且还应控制好光源的能量传输。这样设计能够使光源的出光角度被控制在±60°以内，也进一步实现了远场光强的均匀分布，与室内照明对光源的要求完全相符。
3.3 三维给定光分布设计
在室内照明中我们主要研究的是二维的给定光分布设计，而为了实现一些较为复杂且实用的给定光分布，就必须了解其在三维中的设计方法。在进行三维给定光设计时，可按照具体要求来确定设计思路，通常可采取分离变量的三维自由表面进行设计，这样能够很容易获得矩形照度分布，该设计思路在LED路灯的设计上应用前景较为广阔。
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正伟介绍照明的基本术语
光 light： 光是电磁波—可见光是波长为380—780纳米的电磁波。 波长大于780纳米的电磁波是红外线，微波和广播无线电波。 波长小于380纳米的电磁波是紫外线，X-射线和宇宙射线。 波长与颜色—光波的波长不同人眼感觉到的颜色不同。 780纳米的光是红光，380纳米的光是紫光。 780—380纳米的光依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。
简介：
光 light：
光是电磁波—可见光是波长为380—780纳米的电磁波。
波长大于780纳米的电磁波是红外线，微波和广播无线电波。
波长小于380纳米的电磁波是紫外线，X-射线和宇宙射线。
波长与颜色—光波的波长不同人眼感觉到的颜色不同。
780纳米的光是红光，380纳米的光是紫光。
780—380纳米的光依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光。
光通量 luminous flux：
根据辐射对标准光度观察者的作用导出的光度量。
光通量的单位为Φ，单位为流明（Lm）
发光强度 luminous intensity：
光源在给定方向上的发光强度是该光源在该方向的立体角内传输的光通量光强量的符号为I，单位为坎德拉（cd），1cd=1lm/1sr。
发光效率 luminous efficacy ：
电光源将电能转化为光的能力，以发出的光通量除以耗电量来表示，单位为流明每瓦特（1m/W）。
照度illuminance：
发光体照射在被照物体单位面积上的光通量。单位：勒克斯（Lux）=Lm/㎡。
亮度 luminance：
单位投影面积上的发光强度。亮度的单位是坎德拉/平方米（cd/m2）。
色温 colour temperature（CT）：
光源发射光的颜色,将黑体加热至某一温度下辐射出光色，黑体的温度（开尔文K）称为该光源的色温。光源色温不同，光色也不同，色温在3000k以下有温暖的感觉；色温在3000k-5000k为中间色温，有轻爽明快的感觉；色温在6000k以上有冰冷的感觉。单位：开尔文（K）。
显色性Colour rendering：
光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在光下颜色比基准光（太阳能）照明时颜色的偏离能较全面反映光源的颜色特性。要正确表现物体本来的颜色需使用显色指数高的光源。单位：Ra
眩光 glare：
视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比，则可以造成视觉不舒适称为眩光，眩光是影响照明质量的重要因素。
一般照明 general lighting：
为照亮整个场所而设备的均匀照明。
分区一般照明 general lighting：
对某一特定区域，如进行工作的地点，设计成不同的照度来该区域的一般照明。
局部照明 local lighting：
特定视觉工作用的、为照亮某个局部而设置的照明。
混合照明 mixed lighting：
由一般照明与局部照明组成的照明。
寿命 life：
灯泡点燃到失效，或者根据某种规定标准，点到不能再使用的状态时的累计燃点时间。
平均寿命 average life：
承受寿命试验的每支灯寿命的平均值，此期间灯在规定的条件下燃点，并且光通量衰减到70%的时间。
光通量维持率 lumen maintenance：
灯在给定点燃时间后的光通量与其初始光通量之比，通常用百分比表示。
额定功率 rated power：
由制造商或销售商宣称的某一型号灯在规定条件下工作时的功率值。单位(W)
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街头热卖LED彩色气球好看或存隐患
近日，一种带着LED彩色灯带的气球突然在街头蹿红，夜色里气球上五彩的灯光引来不少市民的关注，并深受儿童与情侣的追捧。 22日晚，记者来到市区一些购物中心门口，聚集了不少商贩在售卖时下流行的发光气球。在气球和线上缠着一圈很细的LED彩色灯带，底部则是一个电池盒。样式新颖，但构造和普通气球相比，其实并无太大差异。商贩们再三强调，如今的发光气球有了改进，充气气体均为氦气。可到底是真
简介：
近日，一种带着LED彩色灯带的气球突然在街头蹿红，夜色里气球上五彩的灯光引来不少市民的关注，并深受儿童与情侣的追捧。
22日晚，记者来到市区一些购物中心门口，聚集了不少商贩在售卖时下流行的发光气球。在气球和线上缠着一圈很细的LED彩色灯带，底部则是一个电池盒。样式新颖，但构造和普通气球相比，其实并无太大差异。
商贩们再三强调，如今的发光气球有了改进，充气气体均为氦气。可到底是真是假，我们无从考证。虽然目前还没有发生因发光气球引发的安全事故。然而，经过查询，今年3月，欧盟委员会非食品类快速预警系统，早已对中国产的此类气球玩具发出了消费警告。委员会认为该产品存在化学、窒息和受伤风险。容易爆裂的气球，会释放出包括电池、LED灯在内的小部件，可能会被儿童吞咽，因此造成伤害。由于发光气球并非正规厂家生产的产品，其外部没有任何警示标识，更容易让消费者因炫酷外表而忽略了潜在危险。
业内人士表示，一般气球会充氦气，安全但成本较高，也有商贩为降低成本充入易燃易爆的氢气，存在一定安全隐患，市民若购买需详细了解情况。
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黑夜越来越少？研究称全球光污染恶化或增癌症风险LED灯光污染黑夜
国际学者分析卫星拍摄到的地球夜间照片，卫星照片显示欧洲大部分地区在夜间依然十分光亮。于11月22日发表研究，指出在2012至2016年，全球的室外人造光覆盖范围每年增加2%，黑夜越来越少。科学家指出，“黑夜减少”对动植物和人类均造成负面影响。
简介：
国际学者分析卫星拍摄到的地球夜间照片，卫星照片显示欧洲大部分地区在夜间依然十分光亮。于11月22日发表研究，指出在2012至2016年，全球的室外人造光覆盖范围每年增加2%，黑夜越来越少。科学家指出，“黑夜减少”对动植物和人类均造成负面影响。
这份光污染研究刊登在《科学进展》(Science Advances)期刊。研究员利用美国的地球观测气象卫星“索米国家极地轨道伙伴卫星”(Suomi NPP)拍摄的地球夜间照片，分析后发现部分全球最亮国家如美国和西班牙，亮度没有显著上升，但南美、非洲和亚洲大部分国家越来越光亮，只有少数国家亮度减少，例如同受战乱困扰的也门和叙利亚。
研究员原本以为在一些富裕城市和工业区亮度会减低，因人们大多转用LED灯，而卫星传感器无法测量LED灯发出的蓝光，但结果是美国亮度没变，英国和德国变得更光，可见全球光污染问题日益严重。
专家指出，光污染会打乱动植物和人类的昼夜节律，可能会令人们睡眠质素下降，亦会提高患糖尿病、癌症及抑郁症的风险。
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