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以罗毅教授为首的课题组发展了非成像光学系统设计理论
 详细说明

  以清华大学系集成光电子学国家重点实验室罗毅教授课题组为主研发的新型功率型综合节能60%以上。日前,该课题顺利通过了厅组织的专家组的项目鉴定,鉴定委员会认为该成果主要技术指标达到国内领先水平。

  路灯是城市照明的重要组成部分,其耗电占居整个照明用电的很大部分。传统的路灯常采用高压钠灯。高发光效率的高压钠灯存在照度分布不均、被照物体颜色失真、眩光严重、寿命短、维修率高等缺点,整体上光效低。因此,开发新型的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。

  以GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的白光LED的发光效率已经达到了130流明/瓦,并具有生产成本低,器件性能稳定,市场容易接受、高效、节能、长寿命、显色指数较好、冷光源、环境友好等优点,因此,极有可能成为下一代新型路灯的首选。LED是发光二极管(LightEmittingDiode)的英文简写形式,它是基于半导体PN结形成的发光器件,在一定的正向偏置电压和注入电流下,注入P区的空穴和注入N区的电子在扩散至有源区后经辐射复合而发出光子,将电能直接转化为光能。

  然而,高效功率型LED路灯的制作面临严重的技术瓶颈。单颗功率型LED较小的发光通量、芯片发光远场分布所具有的朗伯型角度分布等内在特性,造成了半导体照明技术面临较高的光学、热学技术壁垒。

  针对功率型LED应用于城市道路照明的特殊问题,清华大学集成光电子学国家重点实验室罗毅教授课题组成立了科技攻关小组,在LED路灯的光学系统和散热结构上取得了重大突破。

  课题组首先提出了新的设计理念。该课题组独创性的提出,将每颗功率型LED的输出光分布设计成与道路照明标准规定面积一致的均匀矩形的照度分布。以罗毅教授为首的课题组发展了非成像光学系统设计理论,提出了一种新型的定义光学映射的方法——分离变量映射法,利用数值方法解决了路灯这种三维给定光分布问题。同时,在三维表面造型中,提出了采用不连续表面的三维造型方法,更加准确的控制透镜表面的形状,从而非常简单、有效地获得了理想的矩形照度分布。在上述工作的基础上获得了具有自主知识产权的高光提取效率、矩形均匀照度分布的功率型LED封装光学系统。

  广东东莞勤上集团与清华大学联合,成功地将清华大学拥有的具有自主知识产权的面向城市照明的功率型LED的封装和应用技术实施产业化。同时,双方联合在高效率、高可靠性、智能化的集群LED驱动技术、独特的产业化LED路灯装配制造技术方面取得了重大进展。

  清华大学联合勤上集团研发的新型截光型功率型LED路灯的实际照明效果如图1所示。经测试,在矩形区域内照度均匀度可达0.64,光学系统取光效率达84%以上,单颗功率型白光LED发光效率可达到90流明/瓦,比目前道路使用的高压钠灯综合节能60%以上。

  目前本项目的产品已经成功应用于东莞市常平镇、广东省科学中心和清华大学奥运体育馆(见图2)的道路照明中,并取得了较好的节能和照明效果。

  据测算,若全国的道路照明均采用高效、新型LED路灯,则每年可以节省420亿度电,相当于节省标准煤1580万吨,接近几个特大型煤矿一年的产量。同时,不仅减少了水资源的浪费,而且减少对电站附近的人民的生活和植物生长造成污染的煤粉尘的排放量470万吨,减少产生酸雨的SO2的排放量44万吨,因此,具有巨大的经济、社会和环保效益。


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