非成像光学系统设计方法及其在LED道路照明工程中的应用

论文摘要

发光二极管（LED,Light Emitting Diode）被认为是人类历史上继火焰、白炽灯、荧光灯之后的第四代光源。与传统光源相比,LED有着能量转换效率高,寿命长,体积小,无污染等多种优点。也由于其节能环保的特点,各国都竞相将其作为重点产业大力发展。非成像光学（Non-imaging Optics）虽然诞生不久,但随着太阳能技术的发展,推动了非成像光学理论的不断提升,已广泛应用于太阳能收集,照明设计甚至是成像光学中。在照明领域,主要关心的问题是如何将光能高效地投射到目标面上,并在照射目标上实现特定方式的照明。目前较为常用的有三种方法:微分方程法,多参数优化法以及多表面同时设计法又称SMS（Simultaneous Multiple Surface Design Method）法。通过这些方法可以设计出高效的LED照明系统,从而让LED走进人们的生活成为可能。但仅有高效的光学设计是不够的,由于LED发热量大,并对热较为敏感,将LED所产生的热量有效地传导出去,也是必须要解决的问题。本论文就从LED照明系统光学和热学两方面进行了相关的研究和探索。以LED路灯设计为实例,我们采用区域分割的思想对LED路灯进行光学设计,使用现有的聚光透镜对光源发散角进行调整,让每颗LED分别照射特定的区域,通过这些照明区域的叠加实现道路的均匀照明。上述的LED路灯由多列LED组成,每列LED的旋转角度和发散角大小各不相同,但如果直接将这些相关参数设为可变参数采用多参数优化法进行设计,由于所需优化的变量过多,会降低优化效率,甚至难以得到满意的解。针对上述问题,我们提出了光源逐级递加采样点动态变化法来优化设计LED路灯中的相关参数,根据LED光源的发光特性,逐列递加LED,并根据照明要求动态改变采样点位置,更新评价函数,对其进行优化,经过多次叠加、优化之后将路面照明区域填满,最终得到满意的结果。设计结果经过ASAP软件仿真和实际测量均达到了道路照明标准中第一级别快速路的要求。光源逐级递加采样点动态变化法减少了优化过程中变量参数的个数,提高了评价函数的针对性,使优化效率大幅提升。在光学设计的基础上,采用Qfin4软件设计优化了适用于单颗LED的散热片,使散热片在不超过最高热阻的要求下质量达到最小,从而减少了耗材。最后在上面研究的基础上,设计并制作了一款一体化散热结构的LED路灯,并对其进行了相关性能的测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 半导体照明技术简介
• 1.1.1 LED照明的发展
• 1.1.2 LED照明的优势
• 1.1.3 LED的封装结构
• 1.2 LED照明系统设计
• 1.2.1 LED照明系统光学设计
• 1.2.2 LED照明系统散热设计
• 1.3 论文的研究内容及意义
• 第二章 非成像光学理论
• 2.1 非成像光学发展史
• 2.2 非成像光学的相关概念
• 2.2.1 基本概念
• 2.2.2 汇聚比与理论最大值
• 2.2.3 具体应用
• 2.3 光学扩展量（étendue）
• 2.4 光学扩展量（étendue）与汇聚比
• 第三章 非成像光学设计的常用方法
• 3.1 光学自由曲面
• 3.2 微分方程构造自由曲面
• 3.2.1 简介
• 3.2.2 设计原理
• 3.2.3 具体步骤
• 3.3 多参数优化法
• 3.3.1 简介
• 3.3.2 基本原理
• 3.3.3 照明评价函数
• 3.3.4 利用参数优化法进行光学设计
• 3.4 多表面同时设计法 SMS法
• 第四章 LED路灯光学设计
• 4.1 研究现状
• 4.2 LED路灯的光学设计方法
• 4.3 实际问题及解决方案
• 4.4 实验结果及分析
• 第五章 LED路灯的热设计
• 5.1 LED热设计相关理论
• 5.1.1 pn结结温对 LED器件性能的影响
• 5.1.2 大功率LED系统的结温
• 5.1.3 实例分析
• 5.2 单颗 LED热散热器设计
• 5.3 一体化 LED路灯
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢