LED（准直）光源的SMS非成像光学设计方法

摘要

作为新一代绿色光源，LED具有尺寸小、寿命长（5万小时以上）、电光效率高(80％～90％)和环保节能等优点。由于LED光源独特的空间光强分布特性，传统照明灯具无法满足LED光源的配光需求，也无法完全发挥其优势，需要针对LED的发光特点进行光学设计以提高LED光源系统的性能。LED准直配光因其较小的光束发散角，具有极高的设计难度，成为LED光源配光设计的研究重点。
　　非成像光学中的相关理论为LED配光设计提供了有力的理论依据。在照明器件的设计中普遍使用边缘光线原理以简化设计的复杂性，即光源处的边缘光线在经过照明器件的折射/反射后在接受面处仍为对应的边缘光线。当前照明器件设计主要采用折射型（R型）、反射型（X型）和折反混合型几种方式。无论是折射型还是反射型，其设计中心都是构建光学表面改变光线的分布。应用同步多曲面设计方法(SMS)可以实现多个表面的同步设计。设计时首先选定两个呈一定夹角的平面波前，同步计算出两个光学表面的轮廓使其满足由LED边缘发出的边缘光线在经过光学表面偏折后均以垂直于对应波前的方向出射，将得到的光学表面构建为实体便得到了SMS光学器件。
　　本文的主要工作和成果如下:
　　1.针对LED的准直配光采用非成像光学中的SMS方法，提出了将复合抛物面和SMS光学器件结合的设计方法，据此方法得到的光学元件，能够将LED光源发出的光线发散角大大缩小，且在远场处得到具有良好均匀性的照度分布图样。
　　2.本文给出了一套系统化的LED准直器非成像光学设计方法，通过该方法可以设计出一种准直性好，光能利用率高的新型准直光源，并重点对SMS设计方法的建模、仿真和结果分析等进行了讨论。
　　3.LED准直光源设计方法的研究中分别设计了:二维-反射/反射式、三维-反射/反射式和二维折射/折射三种SMS准直光学器件。该三种器件在设计中均采用复合抛物面(CPC)对LED进行初级配光将其光线的发散角控制在45°。光学仿真结果表明:二维-反射/反射式SMS准直器件能够在远场处得到一圆形光斑，光束半发散角小于2.26°，光斑均匀度＞0.91，光效达到79％;三维-反射/反射式准直器件在远场接收面上得到一个较规则的方形轮廓且光束半发散角约为3.66°，考虑反射损失后其光效仍高达63％以上;二维-折射/折射式准直器件能够根据光源形状的不同在远场处得到圆形或方形的照度分布，同时具有80％以上的光效。
　　4.本文为LED光源在准直、投影光源等领域的研究提供了有力的理论支持。研究同时发现，SMS设计方法目前仅适用于光束发散角较小的情况如LED准直或投影光源等;而对于要求发散角度较大的应用如室内照明、道路照明等尚需进一步的研究，这同时也表明SMS设计方法尚具有的广阔的研究空间。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 LED光源发展及产业现状

1．2 LED发光原理

1．3 LED配光及其发展现状

1．4 本论文所进行的工作及意义

第2章 非成像光学在LED配光中的应用

2．1 传统几何光学在LED配光中的应用及不足

2．2 非成像光学理论及其在配光中的应用

2．2．1 非成像光学简介及相关原理

2．2．2 非成像光学在LED配光中的应用

第3章 同步多表面设计法

3．1 同步多表面设计法概述

3．2 同步多表面设计法举例

3．2．1 RR光学器件

3．2．2 XR、RX及XX光学器件

3．2．3 RXI光学器件

第4章 LED(准直)光源同步多表面设计

4．1 复合抛物面反射器设计

4．2 二维-反射／反射式准直器件设计

4．2．1 设计过程

4．2．2 结果仿真与分析

4．3 三维-反射／反射式准直器件设计

4．3．1 设计过程

4．3．2 仿真结果分析

4．4 折射／折射准直器件设计

4．4．1 设计过程

4．4．2 仿真结果分析

第5章 总结及展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果