LED照明系统二次配光设计方法研究

摘要

随着人们对照明质量以及节能要求的不断提高，半导体照明光源作为第四代电光源，以其高光效、长寿命、节能、色温可调和环保等优点广受人们的关注。但是固体照明光源特别是LED的发光特性和外形等和以往光源不同，不能直接应用于现有的传统光源照明系统，因此需要对LED光源进行配光设计，使得重新构造的照明系统能够有效调制LED光源的配光曲线，满足各种照明需求。LED照明的配光设计对LED在照明领域的普及和提供高质量的照明均有重要的作用。本课题结合非成像理论、自由曲面设计原理，就LED应用于照明光学系统的配光设计进行了探讨和研究。在照明光学系统的配光设计中，自由曲面具有很强的分配光强及控制大角度光线的能力，可以提高灯具空间布局的灵活性，增加设计自由度;同时还能简化灯具结构，提高照明质量，很适合基于LED的照明系统的配光设计。展开此方向的研究既有理论价值又具有一定的实际意义。论文针对LED光源照明配光方式，分别对要求特定光分布的汽车近光灯反射器和实现均匀照明的台灯透镜进行了二次配光设计与仿真。
　　论文首先论述了电光源的发展沿革和LED光源在日常照明中的应用，阐述了配光在照明系统中的重要性;尔后提供了LED光源的相关光度学参数，介绍了LED应用于照明系统的几种主流配光形式，及本论文用到的计算机编程、建模和仿真分析软件。
　　接着论文着重介绍了非成像光学理论的发展和内容，阐述了构造基于自由曲面的LED照明系统配光设计思路;同时根据自由曲面设计原理设计了基于自由曲面的汽车近光灯反射器和台灯用透射镜，对求解微分方程数值解设计自由曲面实现高光效的均匀性照明的方法进行探索性研究，并结合计算机软件对设计进行了仿真验证，结果均达到了预期目标。
　　论文最后，主要对本课题的研究内容进行了总结，对出现的问题提出了改进意见和下步工作，浅述了LED应用于照明系统在未来的研究趋势。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 电光源的种类及发展沿革

1．1．1 第一次电光源技术革命——白炽灯

1．1．2 第二次电光源技术革命——低气压放电灯

1．1．3 第三次电光源技术革命——高压气体放电灯

1．1．4 第四次电光源技术革命——半导体光源

1．2 LED在照明光学系统中的应用

1．2．1 室内外照明

1．2．2 汽车照明

1．2．3 路灯照明

1．2．4 信号显示、背光应用及其它应用

1．3 课题研究的意义及主要内容

第二章 基于LED的光学照明系统设计

2．1 LED器件的光度学参数

2．2 LED照明系统配光设计的特点

2．3 几种主要的LED照明系统配光形式

2．3．1 反射式

2．3．2 折射式

2．3．3 反射加折射混合

2．3．4 LED阵列模组的配光

2．4 设计中使用的软件介绍

第三章 自由曲面设计原理

3．1 非成像光学的历史及发展

3．2 自由曲面的构造方法

3．2．1 自由曲面概念简介

3．2．2 自由曲面的基本构造思路

3．3 基于非成像光学原理的LED配光设计

第四章 反射型自由曲面LED前照灯近光配光设计

4．1 汽车前照灯发展概述

4．2 LED汽车前照灯的光学系统

4．3 基础面和光源的选择

4．3．1 基础面

4．3．2 光源

4．4 近光灯设计

4．4．1 近光灯的配光标准

4．4．2 反射面组合及设计

4．5 光学仿真

第五章 透射型LED台灯照明的配光设计

5．1 台灯概述

5．2 裁剪法

5．3 基于均匀照明的自由曲面透镜设计

5．4 数值法解微分方程

5．5 LED全角度配光设计

5．5．1 发光半角小角度区域配光设计

5．5．2 发光半角大角度区域配光设计

5．6 建立模型与光学仿真分析

第六章 总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文与科研情况

致谢