基于大功率LED均匀光源设计与实现研究

发布时间：2020-11-09 02:08

　　 随着大功率白光LED的广泛普及,由于大流明封装和更高的发光效率使其得到更加广泛地应用,这也表明了固态照明的发展发向。LED的市场需求不断扩大,应用领域也随之扩展,大功率LED的照明系统比传统光源更有前景。然而大功率LED仍然存在不可想象的缺点,比如LED光源的朗伯体特性以及高功率LED难以在屏幕上获得高亮度,所以需要进一步的二次光学设计。二次光学设计是存在于LED封装之外的,可以聚集LED光源的光线,并具有效率高、准直度高等优点。本文利用二次光学设计手段对大功率LED出光的均匀性进行建模与仿真,并对加工出来的实体均匀光源进行数据测量与研究。在二次光学设计中,软件仿真是必不可少的环节,随着计算机处理速度的提升,计算机软件仿真成为设计优化大功率光源的有效手段。对LED以及光学部件物理特性的设计需要通过软件进行精确的数学建模来描述各个部件之间的关系。最重要的部位就是反射镜与透镜,是二次光学设计必不可少的组成部分。本文主要针对大功率LED的均匀性设计做了以下四个方面的研究:(1)对LED的国内外发展现状及趋势做了详细地阐述,系统地概括了二次光学设计的基本概念以及方法,同时结合实际案例对LED光源均匀性设计的必要性做出了充分地说明。(2)对光度学进行了详细地解释说明,介绍了光度学中经常用到的参量以及它们之间的关系,深刻地描述了二次光学设计的理论依据,即非成像光学设计理论,同时对LED的发光机理以及光电特定做出了明确的表述。(3)基于光学扩展量守恒思想,设计了一种基于菲涅尔透镜和复合抛物面反射镜的大功率LED均匀光源。通过TracePro软件模拟均匀光源的光线反/折射仿真,主要是对复合抛物面反射镜参数以及菲涅尔参数进行设计。获取最优仿真参数并进行加工制作,研制出了大功率LED均匀光源实验装置。在距离光源2.5m处,获得二维光度分布图直径为38 cm的圆面,其发散角约为2.63°,光斑有效区域的光度均匀度优于94.40%,整体出光效率超过80%。(4)为了深入剖析LED的发光特性与二次光学设计所能够实现的优良特性做了以下研究。结合非球面透镜的出光原理,设计了三种类型功率为30W的小功率LED辐射模拟器进行比较实验,根据三种类型的优化仿真实验结果,选取效果最优类型的设计参数进行实物加工制作。实物检测后,在距离出射面1m处的光屏上获得有效光斑直径为45cm,发散角为±10.81°,测得光斑的光度均匀度优于98.5%,整体最优均匀度要优于第三章中大功率LED所产生的均匀光源,但发散角偏大。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN312.8
【部分图文】：

图 1.2 路灯光线照射简图图中，h 代表灯的高度，s 表示其有效照明距离。一般情况下，其有效照明距离要超出灯高度的 1.5 倍。（2）均匀性光在农业上的应用在农业中，光对植物的影响是非常重要的，是植物进行光合作用的重要条件，可以影响植物的发育、成长以及代谢等各个方面[22]。由于天气原因以及现在的温室种植，覆盖材料会对太阳光有一定的遮蔽作用，光照不足的现象十分明显，所以人工照明是现在农业上保证高效生产的重要手段。LED 的高亮度以及寿命长等优点，是作为一种补光灯的最优选择[23]。同时因为其发光温度低，不会对植物造成灼伤现象，可以使光能最大程度地被植物吸收。但是，由于 LED 出光不均匀的特性，使得光线不能均匀照射在植物上，造成同一批植物的生长情况参差不齐。光线较弱的地方，植物会发育不良，光线太强的地方，同样也会抑制植物生长。所以，补光灯的均匀性十分重要。为了弥补这种不均匀性出光，采取了阵列式配光，即将多颗 LED 灯以一种排列规律实现的阵列发光，将其所有灯光综合在一起，获得均匀光。农业上一般会使用红、蓝两种灯光进

图 1.5 光线追迹图.4 常见的几种配光方式LED 的配光是为了使得 LED 可以产生一定光强、功率的基本操作。配光表示为光源发各个方向的光线分布特征，体现为光源特性。在光线分布的任意一个方向上，光强表示位立体角内所辐射出的光通量值的大小，单位是坎德拉。而封装与配光紧密结合，因为的封装会得到不同的配光性质[26]。在照明领域中，LED 扮演着重要的角色，但为了满足不同条件下的照明需求，并不是去选择功率或者亮度大小去匹配环境，而是在这些基本条件选择无误后仍然需要二次配能完全满足需求。一个完整的照明灯具从制作到完成需要两次配光，第一次配光是在 片内进行，要考虑它的功率、亮度、光强以及发光角度等因素；第二次配光是在 LED 芯部进行，也就是说给 LED 加一些配件，做一些修饰，比如做一个玻璃罩，可以使得其光加扩散，放一个反射镜可以使其光线更加明亮和聚拢等等。LED 配光分为单颗 LED 配光和多颗 LED 配光。目前常见的单颗 LED 配光形式有三

杭州电子科技大学硕士学位论文反射式配光的实现方法主要是要设计一个反射镜，将 LED 发出的光线进行反射，可线按照指定的方向出射[29]，进而达到配光目的。而反射镜的制作不是十分容易的，需求情况设计反射镜的参数，比如反射系数、反射镜曲率以及反射镜的材质，这些射镜的出光规律具有重要影响。如果反射镜的反射系数比较高，那么就可以得到光拢、亮度程度比较高的光线；如果反射镜的反射系数比较低，是扩散型的反射性质可以得到比较扩散，范围比较广的光线；如果反射镜是具有特定的形状，比如抛物面或双曲面等，那么就可以得到具有一定规律的光线；如果反射镜被设计成更为繁，比如自由曲面，将会得到各个方向光强分布不均匀的光线。总之，反射镜的设计，就会得到不同的光线，根据实际需求进行设计，得到匹配的光线。如下图是反射物图：
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