半导体照明光学系统的设计与仿真

论文摘要

半导体照明已经成为世界上新型照明光源的发展趋势,而高亮度、大功率的发光二极管(LED)更是照明光源中的需求热点。本文主要研究半导体照明中光源模型的构建和照明光学系统的设计,并利用光学机构软件对照明光学系统进行设计与仿真,以此简化系统设计的流程,缩短系统设计的周期。论文分为以下四个部分:首先,简要地介绍了半导体照明技术的历史与发展、LED的原理和关键技术等问题,并阐明了光学仿真在半导体照明光学系统设计中的意义。其次,详细介绍了照明光学系统设计的基本知识、计算机辅助光学设计中光线追迹理论、以及光学机构仿真软件(TracePro和LightTools)的光线追迹和LED建模等方法,并对光源的CAD实体模型、光源的发光特性、光强的空间分布等三个光源建模要素进行深入的剖析。提出了利用光学机构软件进行LED光源建模和照明光学系统设计的方法,并以蝙蝠翼型光分布的LED光源设计为例,对光分布的设计步骤和光线追迹仿真进行了详细的说明。再次,详细介绍了便携式LED照明光学系统的技术及其特点,总结了LED照明光学系统设计的方法。根据实际要求,设计了一个多光源照明系统,对系统的光强分布、照度均匀度等参数进行深入地分析,并在此基础上,对系统参数进行优化,给出系统的最佳设计方案。最后,论述了背光源的原理、特点、应用及发展现状。给出利用光机仿真软件对LED背光源进行建模的方法。对各个组成构件进行几何建模和光学界面定义,并对背光源系统进行光线追迹仿真,通过仿真结果的分析,调整系统参数,从而满足背光源的设计要求。本文的创新之处在于应用光机仿真软件来实现半导体照明光学系统的设计,提出了实现其他光分布的LED光源的设计仿真方法,以及LED光学系统的设计与分析。这些研究为以后在照明系统光学领域的研究提供了方向。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 半导体照明技术
• 1.2 LED发光原理及其结构
• 1.2.1 LED的发光原理
• 1.2.2 LED的基本结构
• 1.2.3 LED的光学特性
• 1.2.4 白光LED及其照明光学系统的实现
• 1.2.5 半导体发光二极管的特点
• 1.3 半导体照明的应用及其发展前景
• 1.4 光学仿真在半导体照明设计中的意义
• 1.5 本文的研究内容与目的
• 参考文献
• 第二章 照明光学系统的基础知识
• 2.1 引言
• 2.2 照明光学系统的结构组成
• 2.2.1 光源
• 2.2.2 光学系统
• 2.2.3 照明平面
• 2.3 光学系统的衡量参数
• 2.3.1 光通量
• 2.3.2 发光强度
• 2.3.3 光照度
• 2.3.4 光亮度
• 2.3.5 光效
• 2.3.6 照明器的光分布特性
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 计算机辅助光学设计的基础知识
• 3.1 引言
• 3.2 光学系统的计算机辅助设计
• 3.3 光线追迹的原理及方法
• 3.4 蒙特卡罗光线追迹方法（Monte Carlo）
• 3.5 照明光学系统计算机辅助设计的基本步骤
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 第四章 LED光源模型的建立
• 4.1 引言
• 4.2 光源建模的构成要素
• 4.2.1 光源的实体CAD模型
• 4.2.2 光源的发光特性
• 4.2.3 光强的空间分布
• 4.3 LED的光源模型的建立和仿真
• 4.3.1 LED光源的建模
• 4.3.2 蝙蝠翼型光分布LED光源的设计与仿真
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 照明的LED光学系统的设计与仿真
• 5.1 引言
• 5.2 LED光学系统的构成
• 5.2.1 透镜
• 5.2.2 反射镜
• 5.3 便携照明LED光学系统的设计与仿真
• 5.3.1 光源
• 5.3.2 光学结构
• 5.3.3 照明平面
• 5.4 多LED光学系统的照度的均匀度分析
• 5.4.1 光学系统中LED光源数量和分布对均匀度的影响
• 5.4.2 光学系统中反射器的有无和结构对均匀度的影响
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 LED背光源光学系统的设计与仿真
• 6.1 引言
• 6.2 背光源的基本工作原理
• 6.3 大功率白光LED背光源设计与仿真
• 6.3.1 双侧背光结构的优化
• 6.3.2 背光源仿真结果分析
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 研究工作总结及展望
• 研究工作总结
• 研究工作展望
• 在学期间发表论文情况
• 致谢