直下式LED灯具二次透镜设计与应用

发布时间：2017-08-27 05:17

  本文关键词：直下式LED灯具二次透镜设计与应用

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【摘要】：发光二极管(Diode EmittingLight,LED)光源是一种电光效率高、高显色性、使用寿命长、体积小、低功耗的绿色环保光源。随着半导体技术的不断发展,使LED光源逐渐取代传统光源,在室内外照明和显示照明等各个领域得到了越来越广泛的应用。本论文针对现有的直下式照明灯具:LED平板灯、LED背光源模组和LED广告灯箱的光学透镜存在的照明均匀性低、能量利用率低和成本高等问题,进行了相应LED灯具的新型二次光学设计,不仅提高了LED照明品质,而且还有效的降低了灯具生产成本。针对侧入式LED平板灯导光板价格昂贵,制作大尺寸平板灯时无法满足照度均匀性要求,而传统直下式LED平板灯厚度高和LED使用数量多等问题,设计了适用于直下式LED平板灯的双自由曲面大角度透镜。透镜设计思路是基于照度与光强的关系式,计算出的大角度透镜曲面的数据点。并且采用粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)对LED光源模组的排列进行优化,提高了目标平面的照度均匀性,利用大角度透镜的新型直下式LED平板灯的LED使用颗数减少,在平均照度和照度均匀度均满足国家建筑照明设计标准情况下,同时,降低了直下式LED平板灯厚度和生产成本。基于三次B样条曲线函数,提出了一种应用于LED背光源,并且可按需要建立并修改外曲面的自由曲面广角透镜的设计方法。通过分析LED光源数据,设置拟合点,构建三次B样条曲线作为透镜外曲面母线,再运用传统的边缘光线理论、光通量网格划分及Snell定律等计算内自由曲面,旋转母线得到透镜模型,最后利用遗传算法(Genetic Algorithm,GA)对透镜外曲面进行优化,提高照明均匀度。基于能量守恒定律和网格划分法,设计了一种实现LED阵列近场均匀照明的自由曲面大角度透镜,其内曲面为椭圆形曲面、外曲面为自由曲面。根据能量守恒定律建立映射关系,对光源和目标面进行网格划分,并结合折射定律,迭代求解出外自由曲面数据点。分析了椭圆形内曲面的长短轴比值对透镜菲涅耳损耗和照度均匀性的影响,通过反馈优化法对LED阵列进行优化,重新划分网格,使叠加部分光照度减弱,提高了整体光照均匀性。仿真结果表明:当仅对透镜外自由曲面的面型数据点进行优化,使叠加部分光照度减弱,提高了灯箱的整体光照均匀性。
【关键词】：LED光学设计 自由曲面透镜 优化算法 网格划分法 照度均匀性
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM923.34
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第1章 引言9-18
• 1.1 课题研究背景及意义9-11
• 1.1.1 LED照明的发展背景9
• 1.1.2 国内外LED照明的发展及现状9-11
• 1.2 选题意义11-14
• 1.3 LED灯具透镜设计方法14-16
• 1.4 本文的主要研究内容16-18
• 1.4.1 论文的章节安排16-17
• 1.4.2 论文的创新点17-18
• 第2章 直下式LED平板灯自由曲面透镜设计与应用18-31
• 2.1 引言18
• 2.2 设计原理18-23
• 2.2.1 网格划分18-19
• 2.2.2 数值计算内外曲面19-21
• 2.2.3 LED光源阵列评价函数的建立21-23
• 2.3 设计实例与分析23-29
• 2.3.1 单颗透镜仿真对比23-25
• 2.3.2 基于PSO优化算法的LED透镜单元阵列仿真与分析25-29
• 2.4 结论29-31
• 第3章 基于三次B样条曲线的LED广角透镜优化设计31-39
• 3.1 引言31
• 3.2 设计原理31-34
• 3.2.1 光源与目标面间映射关系的建立31-32
• 3.2.2 外自由曲面评价函数的建立32-34
• 3.3 透镜的优化实例34-37
• 3.3.1 简单遗传算法34-35
• 3.3.2 模拟结果讨论35-37
• 3.4 结论37-39
• 第4章 LED广告灯箱大角度透镜设计与应用39-51
• 4.1 引言39
• 4.2 设计原理39-45
• 4.2.1 透镜设计原理39-43
• 4.2.2 a/b值对菲涅尔损耗的影响43-45
• 4.3 设计实例与分析45-50
• 4.3.1 实例分析45-47
• 4.3.2 优化自由曲面47-50
• 4.4 结论50-51
• 第5章 总结与展望51-53
• 5.1 总结51
• 5.2 展望51-53
• 参考文献53-59
• 附录59-62
• 致谢62-64
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果64

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本文编号：744564