大尺寸LED光源准直透镜的设计与应用

发布时间：2017-08-19 11:40

  本文关键词：大尺寸LED光源准直透镜的设计与应用

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【摘要】：近年来,越来越多的国家和行业已经花费了大量的财力和人力资源在LED(发光二极管,Light Emitting Diode)和LED灯具的研究和发展上。与传统光源相比,LED光源拥有高度集中的光分布和非常低的亮度,因此,它们需要额外的光学结构来提高光效和产生特定的照明,这光学结构称为二次光学元件。其中,匹配大尺寸LED光源如大功率LED光源、LED集成光源、LED阵列光源等光源的准直透镜在聚光灯、手电筒、汽车前照灯等很多灯具中均有广泛的应用。所以,针对大尺寸LED光源的准直设计展开研究显得尤为迫切。本文以非成像光学中的边缘光线理论和Snell定律为研究依据,对大尺寸LED光源的准直设计展开研究。对目前已有的设计方法进行了分类和分析后,针对不同的光型要求分别提出了几种简便快捷的设计方法。经过多次软件模拟与样品实验,成功地设计了适用于大尺寸LED光源具有准直效果的圆形、椭圆形、线型、360°环形光斑。关于芯片成像与黄斑问题:分析了芯片成像和黄斑问题的成因,通过模拟和实验找到两种问题的根源,总结了几种结构透镜芯片成像和黄斑问题的规律,并针对性提出了几种匀光和褪黄结构。关于圆形光斑问题:针对平凸透镜提出了两种设计方法:类消球差法优化焦点在LightTools软件里进行准直设计的方法和几何解法设计均匀圆形光斑的方法。同样,针对全内反射(Total Internal Reflect,TIR)透镜提出了两种设计方法:LightTools软件和数值积分法相结合的分部设计法及适合于设计高k值准直透镜的试错法,同时验证了全反射和论述了k值的重要性。特别地,通过两次模拟与实验,成功针对全彩四芯片LED光源进行准直混光设计。关于高纵横比区域照明问题:对比分析了几种常见矩形光斑的透镜,并利用其中一种结构成功设计一款口腔手术灯透镜;提出了一种针对线形光斑简易的分部设计法,并用这种方法成功设计了一款用于窗台灯的基于TIR结构的新型拱形透镜;提出一种改进的低光强航道预警灯透镜结构,透镜相对于现有的抛物面反光镜,具有更高的光学效率,更好的角度控制。关于LED阵列光源问题:通过大量的文献调研,结合实际的市场调查,指出了LED阵列光源取代LED集成光源作为灯具光源的出现及应用前景;针对3×3贴片式LED阵列光源提出一款紧凑型双层TIR透镜,在LightTools软件的真色彩模式中,利用提出的结构解决了遇到的芯片成像与黄斑问题,最终成功得到一个颜色均匀的匀化圆形光斑。所有设计的透镜都进行了开模测试,实际的测试效果与设计结果基本保持一致,证明了提出的设计方法的正确及可行性。透镜都在照明灯具得到了应用。
【关键词】：二次光学透镜 大尺寸LED光源 准直透镜 芯片成像与黄斑问题 线型区域照明 LED阵列光源
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN312.8
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 大尺寸LED光源的现状与发展11-15
• 1.1.1 大功率LED光源的现状11-13
• 1.1.2 LED集成光源的发展13-15
• 1.1.3 LED阵列光源的出现15
• 1.2 LED二次光学设计的研究进展15-18
• 1.2.1 LED二次光学设计方法15-16
• 1.2.2 大尺寸LED二次光学设计方法16-17
• 1.2.3 大尺寸LED准直设计方法17-18
• 1.3 本课题的研究意义和主要内容18-20
• 1.3.1 研究意义18
• 1.3.2 主要研究内容18-20
• 第二章 LED准直设计理论基础20-34
• 2.1 非成像光学的基本参数20-24
• 2.2 非成像光学的重要概念和理论24-27
• 2.2.1 光学扩展量24-25
• 2.2.2 边缘光线理论25-26
• 2.2.3 Snell定律26-27
• 2.3 芯片成像与黄斑问题的分析与处理27-33
• 2.3.1 芯片成像27-30
• 2.3.2 黄斑问题30-31
• 2.3.3 匀光与褪黄结构31-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第三章 几种常见的圆形光斑LED准直透镜设计34-57
• 3.1 凸透镜准直设计34-41
• 3.1.1 LightTools准直优化设计34-37
• 3.1.2 均匀圆形光斑设计37-41
• 3.2 TIR透镜准直设计41-51
• 3.2.1 TIR准直透镜的性能分析41
• 3.2.2 利用数值积分法设计准直TIR透镜41-44
• 3.2.3 全反射验证44-45
• 3.2.4 投光灯的衡量参数45
• 3.2.5 利用试错法设计高k值准直TIR透镜45-51
• 3.3 RGBW全彩LED光源准直混光设计51-56
• 3.3.1 光源分析与模型建立51
• 3.3.2 透镜模型建立与准直设计51-52
• 3.3.3 混光设计52-53
• 3.3.4 测试与修正53-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第四章 高纵横比区域照明二次透镜准直设计57-75
• 4.1 常见矩形光斑二次透镜对比分析57-61
• 4.2 一款适用于手术灯LED透镜的设计与应用61-64
• 4.2.1 设计目标分析61
• 4.2.2 结构选择与设计仿真61-63
• 4.2.3 测试与应用63-64
• 4.3 基于TIR结构的线形区域照明LED透镜的设计与应用64-69
• 4.3.1 透镜结构的选择64-65
• 4.3.2 分部设计法65-67
• 4.3.3 模拟仿真67-68
• 4.3.4 测试与应用68-69
• 4.4 一款改进的航道预警灯透镜的设计与应用69-74
• 4.4.1 研究背景69-71
• 4.4.2 设计目标分析71
• 4.4.3 设计过程与结果分析71-73
• 4.4.4 实测与应用73-74
• 4.5 本章小结74-75
• 第五章 适用于LED阵列光源的紧凑型双层TIR透镜设计75-84
• 5.1 研究背景75
• 5.2 LED阵列光源的分析与模型建立75-77
• 5.3 普通TIR结构透镜的设计77-78
• 5.4 新型双层透镜的设计78-82
• 5.4.1 透镜结构的选择78-79
• 5.4.2 初步设计79-80
• 5.4.3 光斑匀化和褪黄设计80-82
• 5.5 实用与测试82-83
• 5.6 本章小结83-84
• 第六章 总结与展望84-86
• 6.1 研究总结84-85
• 6.2 展望85-86
• 参考文献86-90
• 致谢90-91
• 攻读硕士学位期间参加的科研项目与科研成果参加项目91

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