基于LED扩展光源的自由曲面透镜设计研究

摘要

作为新一代的绿色固体照明光源，LED凭借它尺寸小、寿命长、效率高等特点被迅速应用于各种照明场合。由于LED朗伯分布的发光特性，LED照明应用需要依靠对其进行二次光学配光设计。依据光学扩展量守恒定律和边缘光线理论，针对理想点光源的自由曲面透镜设计不断的被提出与发展。本文对 LED理想点光源进行了均匀照度自由曲面透镜和基于点光源的全反射自由曲面准直透镜的设计，可以达到良好的效果。然而，由于单颗LED的亮度低，不能直接代替传统光源进行照明，单颗LED光源的光学设计方法不能满足LED集成化发展的需求。因此，本文对LED扩展光源的自由曲面透镜设计进行了以下几个方面的研究：
　　1、基于LED扩展光源均匀照度自由曲面透镜的研究。从边缘光线理论出发，目标接收面上的任何一点的能量都是由边缘光线决定，研究了针对LED扩展光源均匀照度的自由曲面透镜设计方法。
　　2、基于LED扩展光源准直透镜的研究。通过介绍同步多曲面法的设计思路，对LED扩展光源的收光系统进行了研究。通过确定一定尺寸扩展光源与一定尺寸目标面的数值关系，应用数理计算得到基于同步多曲面法的双折射透镜，实现LED扩展光源的光束准直。
　　3、针对大功率COB光源进行小角度出射光学系统的研究。通过研究光源准直透镜设计方法，提出了一种针对半径为8.6mm的扩展光源小角度出射的光学系统。它是利用复合抛物面将朗伯型发光的扩展光源聚光到一定的角度，再利用同步多曲面法实现准直设计。
　　最后，基于以上扩展光源的设计方法研究，设计了基于LED扩展光源的路灯照明的透镜。首先研究了针对理想点光源的网格划分法设计思路，设计了基于点光源的路灯透镜。在此基础上，研究了反馈优化算法，在扩展光源路灯透镜的目标面照度值上添加了反馈系数，重新带入网格法的迭代运算，实现基于扩展光源的路灯照明透镜设计。

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1 绪论

1.1课题背景及意义

1.2LED二次光学设计研究现状

1.3论文的章节与内容介绍

2 LED发光原理及非成像光学理论基础

2.1 LED基本结构及发光原理

2.2 非成像光学设计理论基础

3 基于边缘光线理论的自由曲面透镜设计

3.1 基于点光源的自由曲面设计

3.2 基于扩展光源照度均匀的自由曲面设计

3.3 本章小结

4 基于同步多曲面法的自由曲面透镜设计

4.1同步多曲面法

4.2基于SMS法的扩展光源准直系统设计

4.3大功率COB光源小角度系统设计

4.4 本章小结

5 基于LED扩展光源的道路照明系统设计

5.1 网格划分法

5.2 模型建立与仿真结果

5.3 反馈优化设计

5.4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

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