大功率LED扩展光源的光学设计方法研究

论文摘要

LED作为新一代固体照明光源,对其进行光学系统设计,不仅可以减少能源消耗与环境污染,而且可以缩小灯具体积、延长整个照明系统的使用寿命,但是由于LED的光源结构和光学特性等和传统光源有很大的区别,使得现有的基于成像光学的照明设计方法无法直接应用于LED。在照明光学设计中由于光学自由曲面可以在分配LED光强的同时控制光线出射角度,有着灵活的空间布局和较大的设计自由度,简化光学系统的结构,非常适用于基于LED的光学系统设计,目前应用广泛的自由曲面设计方法主要采用微分方程构造方法,这种方法在LED点光源二次透镜领域应用广泛,可以得到较为理想的结果,但是对于LED封装透镜及LED集成光源二次光学设计并不适用,所以针对LED扩展光源光学设计展开研究既具有理论价值又含有实际的意义。本课题主要创新点在于利用非成像光学边缘光线理论方法以及反馈修正算法构造应用于大功率LED扩展光源的光学自由曲面来实现高能量利用率的均匀照明光学系统。LED扩展光源旋转轴对称透镜设计问题：在已知LED扩展光源尺寸以及辐射特性的前提下,基于LED光源各向亮度守恒的条件,根据边缘光线理论建立目标平面照度或者光强与亮度的等式关系,确定数值计算初始曲线迭代得到自由曲面截线数据,通过3D建模软件旋转对称建立光学模型。LED扩展光源道路照明透镜设计问题：在已知LED扩展光源尺寸以及辐射特性的前提下,基于能量守恒划分网格计算LED理想点光源自由曲面透镜,在光学仿真时将光源替换为扩展光源比较仿真照度与预期照度差别,计算修真系数带入点光源计算模型进行多次修正可得到理想光学模型。本课题随即利用以上的设计理论设计了旋转轴对称以及道路照明光学系统,并且利用光学仿真软件Tracepro对所设计模型做了验证,证明了设计方法的正确及有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究背景及意义
• 1.1.1 半导体照明发展背景及意义
• 1.1.2 半导体照明优势
• 1.1.3 半导体照明的发展趋势
• 1.2 本课题研究现状与问题
• 1.2.1 半导体照明系统光学设计现状
• 1.2.2 LED照明光学系统设计步骤
• 1.2.3 LED点光源自由曲面设计方法
• 1.2.4 LED扩展光源光学设计问题
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 LED基本结构与非成像光学设计原理
• 2.1 LED构成及发光原理
• 2.2 大功率白光LED光源
• 2.3 LED光学特性
• 2.3.1 LED配光曲线
• 2.3.2 LED光谱特性
• 2.3.3 LED发光效率
• 2.4 非成像光学设计原理
• 2.5 面向LED扩展光源的非成像边缘光线原理
• 2.6 本章小结
• 第三章 LED扩展光源旋转轴对称照明系统设计
• 3.1 LED扩展光源模型建立
• 3.2 LED扩展光源均匀光强单自由曲面透镜设计
• 3.2.1 LED扩展光源透镜设计
• 3.2.2 构建模型及其仿真
• 3.2.3 结果分析
• 3.3 LED扩展光源均匀光强双自由曲面透镜设计
• 3.3.1 等光强的自由曲面设计
• 3.3.2 结果与分析
• 3.4 LED扩展光源均匀照度自由曲面透镜设计
• 3.4.1 透镜算法设计
• 3.4.2 结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 应用道路照明的LED集成光源的透镜设计
• 4.1 路灯透镜设计理论
• 4.1.1 理想点光源光学模型建立
• 4.1.2 反馈算法设计
• 4.2 LED扩展光源道路照明透镜设计
• 4.2.1 透镜设计指标
• 4.2.2 透镜计算及修正
• 4.3 结果分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢
• 附件