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光形限定的照明光学设计研究

高培丽  
【摘要】:随着COB封装集成技术的发展,具有高亮度、低光衰、高光效等优点的大功率面型LED面光源被广泛应用于商业照明,如路灯、汽车前照灯、探照灯等。为提高实际照明效率,减少光污染,均匀高光效的限定照明形状的光学设计越来越受到重视。本文针对LED面光源的反射型、透射型光学系统进行了研究。针对紧凑型双曲面透镜实现大面积LED光源旋转对称照明设计研究,基于有限元理论和边缘光线理论,提出一种直接计算面光源旋转对称均匀照明透镜的方法。基于边缘光线理论,内曲面采用球面,使面光源到达内曲面任意一点的边缘光线之间的夹角减小。基于微分几何理论和Snell定律,用有限元划分面光源和微面元近似为点光源,根据照明光斑的配光条件建立面光源与目标面之间的能量对应关系式,直接用软件计算出透镜外曲面的数值解。模拟分析表明,透镜的紧凑度在(1:1.25-1:2.5)之间,均匀度和光效都达到91.00%以上。针对反射器光学系统实现面光源LED非旋转对称照明设计研究,提出了两种曲面类型,一种是抛物面,光源放于反射器的底端,利用TracePro的宏语言对抛物面进行编程优化,实现了复合抛物面反射器均匀方形照明。利用优化法得到近场照明下抛物面反射器,对近场下的照度曲线进行拟合,利用拟合函数优化计算反射器阵列排布间隔,设计直下式平板灯,平板灯的均匀度和光效分别达到90.50%和95.00%。另一种是自由曲面,采用光源放置于反射器的杯口中心处、出光面背对目标面的结构,提出一种分点、分区控制光线的自由曲面反射器的设计方法。利用有限元法划分面光源,将微面光源视为点光源,根据矩形均匀照明配光条件,建立面光源与目标面的能量对应关系。进而,建立反射器的数学模型,只要给定参数,无需进行反馈优化,即可用Matlab软件给出自由曲面反射器的数值解。最后,利用该方法,根据花瓣形状的配光特点,建立目标面与光源方位角之间的对应关系式,得到花瓣形照明反射器,通过引入收缩参数改变瓣叶大小。所以可以根据所需要照明形状,得出照度分布与光源的关系式,实现所需光形限定的照明,具有普遍使用性。


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