[00361496]调控光线行为的三维自由光学曲面构建及其在半导体照明中的应用

以自光LED为核心的半导体照明具有节能减排的优势，在中国已形成年产值数千亿元的包括外延与芯片、封装和光源系统三大产业链的战略性新兴产业。在该项目实施初期，半导体通用照明光源系统普遍采用常规封装LED简单组合，缺乏对LED出射光线的调控，无法同时满足大光通量、照度／亮度均匀以及散热等基本要求，难以实际应用。调控LED的光线行为需构建非旋转对称的三维自由光学曲面，而这是光学工程领域的难题，当时尚没有针对LED的可实用方案。项目组原创了采用三维自由光学曲面高效、均匀调控LED光线到被照明区域的系列技术，解决了制约半导体照明实际应用的瓶颈问题，获得中国发明专利授权30项，发明并研制了LED路灯、大型场馆照明灯、管灯等系列产品，率先在大规模应用中展示了半导体照明在照明效果和节能两方面的优势，在激烈的国际竞争中抓住了半导体照明光源系统产业的发展机遇，提升了中国相关产业的国际竞争力。主要技术发明点如下：1．针对LED器件旋转对称朗伯光分布导致的眩光和照度／亮度严重不均匀的问题，提出在常规封装LED器件外构置三维自由光学曲面以调控光线行为的思想，发明了基于分离变量和光能守恒映射的三维自由光学曲面构建方法以及基于实际需求的反馈修正方法。以此方法构建的半导体照明光源系统可将94%的光能以80%的均匀性投射于被照明区域，去除了传统照明中普遍存在的光污染与浪费，在北京人民大会堂和深圳高速实际应用中照明效果优异且分别节能接近80%和68.8%,性能优于国内外同类产品。2．针对半导体照明光源系统总光通量、照度／亮度均匀性、可散热的功率密度相互制约，难以同时优化的问题，发明了将具有同样照度和亮度分布的发光单元平面拓扑叠加以构成光源系统的基该结构，拓扑叠加兼顾散热、驱动配置等因素。上述发光单元具有基于发明点1构建的三维自由光学曲面对LED的光线行为进行调控，将几乎不可能的系统级光线调控转化为LED发光单元的光线调控，系统级照度／亮度均匀性优异的同时LED的结温升仅21.7℃(环境温度50℃)，30%光衰时的预期寿命提升至11万小时。3．针对半导体照明光源系统可靠性和成本难以满足应用需求的问题，发明了接触紧密、定位精确的LED三维自由光学曲面安装方法，一体化、可扩展的光源系统机电结构，和稳定可靠、操作简便的光源系统位置调节机构。形成了自主的半导体照明光源量产技术，仅路灯就已安装80万盏。项目组成员作为骨干参与完成国内LED路灯的第一部地方标准DB44/T 609-2009和第一部国家标准GB/T24907-2010,参与完成装饰照明用LED灯国家标准GB/T24909-2010,完成了广东、福建和北京的LED产业技术发展路径研究。该项目产品广泛应用于国内27个省市，并出口至美国、日本等9个国家，LED路灯和隧道灯国内市场占有率第一。半导体照明光源产品销售额达18.1亿元,新增利润32580万元,节电8.87亿千瓦时。获2009年广东省科学技术奖一等奖。