光学自由曲面在LED道路照明领域的应用研究

摘要

随着大功率LED封装模块流明效率的不断提高、成本的不断下降，LED在通用照明领域得到了越来越多的应用，在这个大背景之下，以LED为光源的道路照明成为这种新型光源进军普通照明领域的切入点。然而现阶段，我国LED路灯行业在光学设计、驱动设计、热管理、结构设计、系统集成等方面均存在较大的发展空间。本课题应用非成像光学原理，以自由曲面照明设计方法为基础，围绕LED路灯的光学设计问题展开研究。
　　光学自由曲面具有许多无可比拟的优点，采用自由曲面不仅可极大简化照明系统的结构，还可以有效控制光束分布，轻松实现复杂的照明。本文首先介绍了基于能量映射和切面迭代的自由曲面设计方法以及反馈优化算法，并提出了改进的切面迭代法来改善设计结果，通过合理选择的内表面，可以在3轮反馈优化后得到均匀照明的矩形光斑区域。在另一个设计实例中，仅需一轮优化即可实现指定的IES光强分布，有效地简化了设计流程，实现了“一键式”设计。
　　在机动车道路照明领域，亮度均匀度已经日益受到重视，然而在我国的LED路灯行业内，由于亮度计算或检测都比照度要复杂得多，在路灯研发过程中，往往直接以照度均匀度作为设计、验收指标，这是不符合国家城市道路照明设计标准CJJ45-2006中有关规定的。在本文第3章中，对道路的亮度与照度关系进行了分析，并以亮度均匀性作为首要标准，同时兼顾其他指标，提出了一种新的求解LED路灯配光模式的方法。第4章中，针对该路灯的配光模式，设计了非对称的自由曲面路灯透镜并进行了光学仿真。仿真结果表明，该透镜在3个机动车道上的纵向亮度均匀度达到了0.86以上，完全符合国家标准中大于0.7的要求，同时照度均匀度、眩光限制阈值、环境比等指标也完全达标。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1．研究目的和意义

1．1．1．研究目的

1．1．2．研究意义

1．2．光学自由曲面设计的国内外研究现状

1．2．1．数学设计方法

1．2．2．几何设计方法

1．2．3．优化设计方法

1．3．道路照明的特点与设计要求简介

1．4．本文架杓

2．基于能量映射和切面迭代的自由曲面设计方法

2．1．光源与目标面之间的能量映射关系

2．2．自由曲面构造方法

2．2．1．切面迭代法

2．2．2．球面迭代法与改进的切面迭代法

2．2．3．合理选择内表面以改善设计结果

2．3．照度反馈算法与设计结果介绍

2．3．1．反馈算法基本思路

2．3．2．反馈算法设计效果简介

3．城市机动车道的路灯配光模式研究

3．1．城市道路照明设计的指标与要求

3．1．1．路面亮度均匀度

3．1．2．眩光限制阈值增量

3．2．路灯排布与照明区域配置方式

3．3．求解合理的路灯配光模式

3．3．1．机动车道路面亮度分布的特点

3．3．2．求解路面照度函数F(x，y)

4．自由曲面路灯透镜的设计与仿真、评价

4．1．不连续的自由曲面面型设计思路

4．2．设计结果与评价

4．2．1．透镜及其光学仿真结果

4．2．2．针对各指标的评价

5．总结与展望

参考文献

作者简历

硕士在读期间发表的论文