大功率LED封裝與應(yīng)用的自由曲面光學(xué)研究.pdf

1、隨著大功率LED流明效率不斷提高、成本不斷下降，大功率LED在通用照明與特種照明領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，如LED路燈、LED背光、LED汽車前照燈等等。高光效、光形可控與高空間顏色均勻度是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)LED照明不可或缺的三個(gè)關(guān)鍵因素。為了克服現(xiàn)有光學(xué)設(shè)計(jì)方法的不足之處，提高LED照明品質(zhì)，本論文圍繞上述三個(gè)關(guān)鍵因素開展了LED封裝與應(yīng)用的自由曲面光學(xué)研究，并取得以下創(chuàng)新性成果：
　　 在光效與光形可控方面，對(duì)于圓對(duì)稱光斑點(diǎn)光源

2、情況，提出了一種新的任意配光曲線光源計(jì)算簡(jiǎn)單、任意出光角度準(zhǔn)確可控的LED均勻照明自由曲面透鏡設(shè)計(jì)算法。
　　 對(duì)于圓對(duì)稱光斑擴(kuò)展光源情況，提出了一套創(chuàng)新的基于反饋優(yōu)化的擴(kuò)展光源自由曲面透鏡設(shè)計(jì)算法，包括優(yōu)化目標(biāo)平面面積網(wǎng)格劃分、優(yōu)化光源能量網(wǎng)格劃分與兩者協(xié)同優(yōu)化三種設(shè)計(jì)方法。有效克服了擴(kuò)展光源對(duì)照明效果的劣化，UE 從0.53提高到0.90。
　　 對(duì)于圓光斑空間整體均勻照明問題，提出了一種新的逆向設(shè)計(jì)方法，包括優(yōu)化配

3、光曲線與實(shí)現(xiàn)任意配光曲線的新自由曲面透鏡算法兩部分?；谠摲椒ǎO(shè)計(jì)了兩個(gè)集成自由曲面透鏡的新型直下式背光用LED模塊，在大距高比時(shí)顯著提高了UE（從0.446提高到0.915），同時(shí)大大減少了LED數(shù)量（1/4以下）。
　　 對(duì)于非圓對(duì)稱光斑（例如常用的矩形光斑）點(diǎn)光源情況，提出了一種改進(jìn)的非連續(xù)自由曲面透鏡算法，具有任意配光曲線計(jì)算簡(jiǎn)單、能量對(duì)應(yīng)靈活、光形可控度高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，提出了兩種新的連續(xù)自由曲面透鏡算法，分別為基于中

4、心輻射與基于矩形網(wǎng)格能量對(duì)應(yīng)關(guān)系。新型自由曲面透鏡出光效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)均勻的近似矩形光斑，已成功應(yīng)用于LED道路照明。
　　 對(duì)于非圓對(duì)稱光斑擴(kuò)展光源情況，基于同樣的反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，創(chuàng)新地提出了二次光學(xué)與一次光學(xué)相集成的應(yīng)用導(dǎo)向型LED封裝模塊（ASLP），可實(shí)現(xiàn)均勻矩形光斑，能直接滿足道路照明的需求。ASLP具有體積?。▇1/8）、系統(tǒng)光效高（提高~8.1％）、成本低（降低17％）、方便客戶使用等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了一基于LE

5、D陣列光源的道路照明用多功能集成ASLP模組，具有系統(tǒng)光效高（提高~19.4％）、維護(hù)替換方便等優(yōu)點(diǎn)。
　　 對(duì)于非圓對(duì)稱光斑空間整體均勻照明問題，以實(shí)現(xiàn)亮度均勻道路照明為目標(biāo)，提出了兩種新的亮度均勻光學(xué)設(shè)計(jì)方法，分別為組合法與亮度均勻自由曲面透鏡算法。這兩種方法都顯著提高了道路亮度均勻度，UL 從0.30迅速提升到0.70，并已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際LED道路照明。同時(shí)，提出了一種新的亮度均勻非對(duì)稱自由曲面透鏡設(shè)計(jì)算法以提高道路照明

6、利用率，平均亮度提高了25％。
　　 除了光效與光形可控方面，對(duì)LED照明空間顏色均勻度（SCU）也進(jìn)行了研究。提出了一種采用自由曲面透鏡來提高LED照明SCU的新方法。集成自由曲面透鏡的新型LED封裝模組的SCU從0.334增加到了0.957，并且對(duì)不同熒光粉層結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性與一致性。同時(shí)，采用空間顏色均勻自由曲面透鏡能夠大大降低LED的⊿u’v’值，提高LED照明品質(zhì)。該新方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、光效高、效果顯著等優(yōu)