基于白光LED圆、方型均匀照明光学系统研究

发布时间：2021-10-24 16:58

　　现在大部分产业愈发依赖电能,其中照明产业消耗大部分电能,为了实现节能环保、可持续发展,需要进一步提高照明的电能使用效率,实现绿色、节能、高效照明。LED发光二极管作为新一代绿色光源具有发光效率高、耗能小、使用寿命长等优点,逐渐被运用到各个照明领域。但由于LED光强呈现朗伯体分布,发散角较大,不能直接运用于具体的照明领域。因此,为了满足不同场合对于LED光源照明要求,需要在LED一次光学设计的基础上,进行二次光学设计,以便提高LED光源的均匀度、发散角、光能利用率等性能。本文致力于研究高均匀度、小发散角的照明光学系统设计方法,旨在建立基于透镜的二次光学设计理论,为获得均匀性高、发散角小的照明光学系统提供解决方案。针对LED光源发散角过大,均匀性过低的问题,本文设计两套均匀照明光学系统装置,最终达到预期目标,获得了均匀性、发散角均满足具体运用场景的均匀光斑。本文首先提出一种基于近焦点非球面透镜光学照明系统设计方法。在进行均匀照明系统设计时,先是根据几何光学和光学扩展量守恒,计算求解出非球面透镜的面型参数,然后再结合对照明光学系统的总体性能要求,在ZEMAX中定义出非球面透镜的初始结构和评价... 

【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省

【文章页数】：62 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

LED 发光原理示意图

可见光，为了更好描述LED可见光的特性，需要引入相应的物理量来进行度量。在实际运用过程，一般采用光度学对LED可见光特性进行度量。发光强度是用来衡量光学器件发出光的强弱，LED芯片发出光线在空间中传播的方向不同，光的强度也不同。因此需要利用光强来衡量LED在不同传播方向上光的强弱。当出射光位于LED芯片发光面的法线上时，出射光的光强最大。出射光的强度会随着光线与法线夹角的变化而变化。一般用发射光强度的角度分布来描述LED光源出射光在空间中各个方向上光强分布。LED光强度的大小主要取决于LED芯片的封装工艺。图1.2为透镜形状不同的LED光强分布图。光强值用I表示,I=，为光通量，为单位立体角，单位为坎特拉（cd）。图1.2常见LED的光强分布曲线LED色温是指LED发射光的颜色，以理想光源的白光为标准，分为暖、中性和冷三种[5]。光源的色温不同，发出光的光色也不相同。图1.3色品图描述了光的温度与颜色的关系。目前，LED经过设计，色温最高能达到10000K,最小能达到2500K。色温在3000K以下，则LED出射光为暖色；色温在3000K—5000K之间，则LED出射光为中间色；色温在5000K以上，则LED出射光为冷色。LED的色温不同，则会带给人不同的感觉，暖色光会让人感觉很温暖；中性色会让人感觉很爽快；冷色则会让人感觉到很冷淡。因此，可以通过调节色温，来

杭州电子科技大学硕士学位论文4调节灯光的颜色，从而满足特定照明场合下的要求。图1.3CIE色品图LED的显色性是指LED光照射物体时，再现物体颜色的能力。常用显色指数（CRI）来衡量光的显色能力大校显色指数是以理想光源发出理想白色光照射八个标准颜色参照物得到的光谱参数为标准值，然后将被测光照射参照物得到光谱参数与标准参数值进行比较后得到的差值。显色指数由LED芯片和荧光粉共同决定。因此，可以通过选择合适的LED芯片并搭配一定量的荧光粉，来实现LED光需要的显色效果。一般将太阳光和白炽灯的显色指数定为100，当LED光的显色指数大于80，就可以用来进行室内照明。1.3LED光学系统设计概述1.3.1LED配光设计配光设计指是依据LED的光学特性，使得光学系统能够获得兼顾光照均匀度、光能利用率和发散角的均匀光斑。光学系统配光设计分为一次光学设计和二次光学设计[6-7]。一次光学设计是直接对芯片进行设计而后封装，主要是设计光源的出光角度、光强分布和大孝光通量大孝色温的范围和分布等等。二次光学设计是在一次光学设计基础之上，根据应用场景的总体性能设计要求，再进行设计封装。所以，光学系统的一次和二次光学设计是密不可分，一次光学设计决定有多少光能够从LED芯片中发射出来，而二次光学设计是为了使得光学系统出射光能够满足实际场景运用的要求。一次光学设计和二次光学设计都会影响整个光学系统的效果，只有通过配合使用一次光学设计和二次光学设计，才能得到需要的光学系统。


本文编号：3455638