无导光板LED平板灯获得表面照度均匀的投射器设计

摘要

白光LED平板灯凭借其独特自然的灯光效果得到了广泛的好评,鉴于平板灯中导光板与LED存在光耦合效率低,吸收、反射损耗大问题,本论文研究了一种无导光板LED平板灯,并重点进行表面照度均匀的高效投射器光学设计,用于提高LED平板灯的出光效率和照度均匀性,采用投射器代替导光板可使LED平板灯的重量轻,制作成本低,光损失小。照明光学设计中一般的投射器研究均基于正面均匀照明的目的,本文的主要创新点在于首次研究了侧面近场均匀照明的LED投射器,实现了出光效率高和表面亮度均匀性好的LED平板灯设计,拓展了LED投射器的应用领域。
　　论文概述了国内外LED投射器的研究现状,介绍了利用软件MATLAB、SolidWorks和TracePro设计用于无导光板LED平板灯的LED投射器设计方法,并建立了无导光板LED平板灯仿真模型。
　　基于无导光板LED平板灯的特殊结构,研究了两种高效LED投射器,一种是自由曲面透镜投射器,用于单双面LED平板灯,另一种是柱面列阵投射器,用于双面LED平板灯。投射器对LED光源所发出的光进行重新分配。基于几何光学和能量守恒原理,将LED出射光线按照极向角进行分割,按照光线能量(即光通量)均分的原则,使目标面相同分割区域内具有相同数量的光线。通过MATLAB编程求得投射器的外形轮廓曲线,利用SolidWorks软件上建立出光学仿真模型,最后通过Tracepro软件进行光线追迹仿真验证LED投射器的光学效果,及其应用于无导光板LED平板灯的可行性。结果表明本文设计的LED投射器具有很高的出光效率和侧面目标照明均匀性,应用于无导光板LED平板灯,对面积为240mm′360mm的LED平板灯的仿真结果为,柱面透镜列阵投射器的出光效率最佳达96.03％,自由曲面投射器侧面照明目标面(平板灯出光面)均匀度最佳为96.6%。
　　根据上述设计投射器模型,利用激光打标机实验制作了投射器模具,包括柱面透镜列阵LED投射器和自由曲面透镜LED投射器模具,并通过热模压机实验制作了PMMA投射器。将理论计算结果与实验数据进行对比,对设计方法的正确性进行验证,并且实验中获得了平板灯面板最佳照度均匀性为95.74%。

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第1章 引言

1.1 本论文研究背景及研究意义

1.2 均匀照明投射器研究现状

1.3 课题研究意义

1.4 本文的主要研究内容

第2章 软件模拟及建模

2.1 LED投射器的3D建模及模拟软件

2.2 无导光板LED平板灯的建模

2.3 本章小结

第3章 无导光板LED平板灯投射器设计

3.1 自由曲面透镜设计

3.2 无导光板LED平板灯高效投射器设计

3.3 柱面透镜列阵LED投射器设计

3.4 本章小结

第4章 无导光板LED平板灯投射器实验验证

4.1 投射器模具加工方法

4.2 投射器应用于无导光板LED平板灯实验验证

4.3 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果