基于透镜阵列的LED照明光学设计与实现

摘要

随着人们生活品质的不断提高，智能照明控制系统越来越受到人们的青睐。发光二极管(LED)以其光效高、寿命长、易于控制等优良特性，广泛应用于智能照明控制系统。光束光斑实时可控的智能照明系统，具有降低能耗、营造氛围等优点，在分区照明、舞美灯光等领域广泛应用。如何简化照明控制系统的结构，改善系统光束光斑控制的实时性，提高目标平面光斑分布的多样性等成为研究人员较为关注的问题。本文参考集成成像原理，提出了一种基于透镜阵列的光束光斑实时可控的LED照明结构，完成了该结构的设计与仿真，并在仿真基础上搭建了实验平台进行验证。具体内容可以概括如下:
　　提出基于透镜阵列的光束光斑可控的LED照明结构，描述了该结构的基本工作原理。针对LED光源和透镜的选型、LED点阵的排布和透镜阵列的结构等设计要素，进行理论分析;根据成像光学理论，推导透镜阵列与LED光源矩阵间距的计算公式;在完成光学设计的基础上，结合实际应用场景设计了基于透镜阵列的LED照明系统。
　　利用光学设计软件对基于透镜阵列的LED照明系统进行建模，通过光线追迹进行照明模拟。研究透镜曲率半径、大小和LED点阵间距对目标平面光斑分布的影响规律;以分区照明为实际应用场景，分析LED点阵与目标平面光斑分布的映射关系，同时兼顾目标平面的照度均匀性，提出针对点阵不同位置处LED光强分布的优化设计，并进行验证。
　　根据仿真结果与实际条件，设计并搭建了基于透镜阵列的LED灯具实验平台。采用高亮度LED点阵显示屏作为点阵光源，选用短焦距非球面的菲涅尔透镜拼接制成透镜阵列，并根据光源与光斑的映射关系设计显示的图案。实验结果表明本文设计的结构能够在目标平面上实现分区效果，并可以通过分别控制LED的R、G、B三色分量来呈现彩色图案。
　　本文的设计结构可以实现目标平面光斑光束的实时控制，可以进一步衍生出动态光影照明系统，在广场气氛渲染、舞美行业都具有广泛的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 课题研究的目的与意义

1．3 课题的研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第二章 基于透镜阵列的LED照明结构光学原理

2．1 集成成像的基本原理

2．2 基于透镜阵列的LED照明结构工作原理

2．3 LED光学特性

2．3．1 LED的配光特性

2．3．2 LED的色温

2．3．3 LED的显色性

2．4 透镜光学特性

2．4．1 透镜的材料

2．4．2 透镜的几何分类

2．4．3 菲涅尔透镜简介

2．5 基于透镜阵列的LED照明结构应用场景设计

2．6 本章小结

第三章 基于透镜阵列的LED照明结构光学设计

3．1 LED照明系统设计步骤

3．2 基于透镜阵列的LED照明结构的设计

3．2．1 LED点阵光源设计

3．2．2 透镜阵列结构设计

3．2．3 LED点阵光源与透镜阵列间距的设计

3．2．4 基于透镜阵列的LED照明系统的整体设计

3．3 本章小结

第四章 软件模拟与结果分析

4．1 光学设计软件简介

4．2 系统的建立

4．2．1 光源点阵的建立

4．2．2 透镜阵列的建立

4．2．3 系统的建立

4．3 仿真结果分析与优化

4．3．1 透镜曲率半径的研究

4．3．2 透镜尺寸半径的研究

4．3．3 LED点阵间距的研究

4．3．4 分区效果的实现

4．3．5 目标平面照度均匀性的优化

4．4 本章小结

第五章 基于透镜阵列的LED照明系统实现

5．1 基于透镜阵列的LED照明系统的器件选型

5．1．1 LED光源模块的选择

5．1．2 透镜阵列的制备

5．2 基于透镜阵列的LED照明系统的搭建

5．3 实物系统验证与分析

5．3．1 验证图片的生成

5．3．2 实验结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

作者简介