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大功率LED照明系统光学设计方法研究

作　者: 张奇辉
导　师: 王洪
学　校: 华南理工大学
专　业: 光学
关键词: LED照明光学设计阵列排布自由曲面
分类号: TM923.34
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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引　用: 9次
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内容摘要

使用固体照明光源特别是发光二极管(LED)作为光源进行照明系统设计,不仅可以节省能源、减少污染,而且可以减小系统体积、延长系统使用寿命。但是由于LED的外形和发光特性等和现有光源不同,使得现有的照明系统无法直接应用于LED,从而必须根据LED照明的需求做专门的光学设计。故进行LED照明系统光学设计方法研究既具有理论价值又含有实际的意义。针对现在常见的照明要求,本课题对LED阵列排布,利用边缘光线理论以及网格法构造光学自由曲面来实现高能量利用率的均匀照明的光学系统设计方法进行了探索性研究:LED阵列排布问题:在已知光源的光辐射特性以及目标面上所需的照度分布的前提下,建立光源数学模型,基于微分几何知识,计算出目标面上照度均匀度取得极值时的LED排列间隔大小。根据现实情况提出了多种适用于照明系统的光学排列模型,以达到均匀照明的目的。自由曲面构造问题:在已知光源的光辐射特性以及目标面上所需的照度分布的前提下,基于光通量守恒原理划分能量网格,然后根据边缘光线理论以及光学折反射定理,迭代得到自由曲面的面型数据。根据现实情况提出了适用于自由曲面照明系统的光学模型,并通过将光源包埋入自由曲面的方法实现100%的理论能量利用率。本课题随即利用以上的设计理论设计了多种LED阵列的排布,以及能形成照度均匀的圆斑和矩形斑光学系统,并且利用光学仿真软件Tracepro对各种设计做了验证,证明了设计的正确及有效性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第一章绪论  9-32
  1.1 本课题研究的背景和意义  9-11
    1.1.1 半导体照明的发展  9-10
    1.1.2 半导体照明的优势  10
    1.1.3 本课题研究的意义  10-11
  1.2 照明系统光学设计现状  11-18
    1.2.1 基于成像理论的传统照明系统  11-13
    1.2.2 基于非成像光学理论的新型照明系统  13-17
    1.2.3 现阶段光学设计方法存在的问题  17-18
  1.3 LED 照明系统光学设计问题及设计理论  18-30
    1.3.1 LED 光学设计问题  18
    1.3.2 LED 照明光学系统的设计步骤  18-21
    1.3.3 LED 光源的分类  21-27
    1.3.4 光度学基本理论  27-30
  1.4 本文的研究内容及结构安排  30-32
第二章 LED 阵列设计  32-42
  2.1 光源模型建立  32-33
  2.2 几种不同阵列的设计  33-40
    2.2.1 两个LED 组成的阵列  33-34
    2.2.2 排列成环形的LED 阵列  34-35
    2.2.3 排列成环形且中心放置了LED 的阵列  35-36
    2.2.4 线状LED 阵列  36-38
    2.2.5 方形LED 阵列  38-39
    2.2.6 三角状排列的LED 阵列  39-40
  2.3 本章小结  40-42
第三章成圆形光斑的光学系统设计  42-51
  3.1 基于透镜的均匀照明光学系统  42-47
    3.1.1 透镜设计方法  43-45
    3.1.2 建立模型以及仿真  45-47
  3.2 基于反射杯的均匀照明光学系统  47-50
    3.2.1 反射杯设计方法  47-48
    3.2.2 建立反射杯模型以及仿真  48-50
  3.3 本章小结  50-51
第四章成矩形光斑的光学系统设计  51-64
  4.1 矩形斑透镜设计  51-58
    4.1.1 矩形斑透镜设计方法  51-56
    4.1.2 透镜的模型建立及光学仿真  56-58
  4.2 矩形斑反射杯设计  58-63
    4.2.1 矩形斑反射杯设计方法  58-61
    4.2.2 反射杯的模型建立及光学仿真  61-63
  4.3 本章小结  63-64
总结与展望  64-66
参考文献  66-69
攻读硕士学位期间取得的研究成果  69-70
致谢  70

大功率LED照明系统光学设计方法研究

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