基于LED陣列的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著大功率發(fā)光二級(jí)管(LED)芯片流明效率、封裝集成度的提升和制造成本的下降,大功率LED越來(lái)越多的應(yīng)用于各種照明領(lǐng)域。由于單顆LED芯片的總光通量有限,將多顆LED芯片以平面陣列的形式進(jìn)行整體封裝形成擴(kuò)展光源模塊來(lái)提高光源光通量已經(jīng)成為L(zhǎng)ED封裝的主流趨勢(shì)。但另一方面,多LED芯片的集成封裝會(huì)導(dǎo)致光源的發(fā)光面積增大,光源的近場(chǎng)區(qū)域不再可以視為點(diǎn)光源和Lambert型配光來(lái)進(jìn)行處理,為L(zhǎng)ED的應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的難題。本論文圍繞實(shí)現(xiàn)

2、陣列式LED擴(kuò)展光源的光束控制及其優(yōu)化方法,進(jìn)行了LED自由曲面光學(xué)設(shè)計(jì)與LED陣列優(yōu)化的相關(guān)研究工作,提出了一系列新的自由曲面透鏡算法與空間整體照明設(shè)計(jì)方法,并基于這些算法設(shè)計(jì)了各種新型自由曲面透鏡,提高了LED光學(xué)系統(tǒng)的光效,實(shí)現(xiàn)了配光可控和光型可變換。研究?jī)?nèi)容主要包括小間距LED陣列自由曲面光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化方法和大間距LED陣列的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與陣列排布方式的自動(dòng)優(yōu)化方法等。
　　針對(duì)小間距LED芯片陣列光源的照度分布優(yōu)化,提出了

3、一種基于網(wǎng)格調(diào)控理論來(lái)實(shí)現(xiàn)全出光角度可控的自由曲面透鏡優(yōu)化算法。該算法在等能量劃分的基礎(chǔ)上進(jìn)行了能量映射優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了對(duì)擴(kuò)展光源的光型可控。在此方法的基礎(chǔ)上,我們又提出了非對(duì)稱(chēng)形式的網(wǎng)格調(diào)控方法。該方法除上述方法的優(yōu)點(diǎn)以外,能量映射關(guān)系更為靈活?；趦煞N方法我們?cè)O(shè)計(jì)的兩款LED陣列式道路照明模塊,具有較高的亮度、照度均勻性和較低的眩光值。
　　針對(duì)小間距LED芯片陣列擴(kuò)展光源的光強(qiáng)度分布優(yōu)化,提出一種基于逆向擬合方法的自由曲面優(yōu)化方

4、法。該方法利用采集、反饋不同出射角度的光強(qiáng)度分布信息來(lái)反向優(yōu)化透鏡面型,使得擴(kuò)展光源所造成的配光劣化得到補(bǔ)償。利用該方法設(shè)計(jì)了正態(tài)分布形式的高光效、可調(diào)節(jié)地面導(dǎo)航光學(xué)系統(tǒng),各項(xiàng)光學(xué)指標(biāo)符合ICAO的相關(guān)要求。
　　針對(duì)大間距LED光源陣列的優(yōu)化排布,提出了兩種基于區(qū)域補(bǔ)償理論的均勻照明自動(dòng)調(diào)節(jié)算法——區(qū)域擴(kuò)展法和亞區(qū)域補(bǔ)償法。此方法能夠根據(jù)實(shí)際的光強(qiáng)度獲得可用于模擬運(yùn)算的光強(qiáng)度分布形式,通過(guò)對(duì)LED陣列的排布方式進(jìn)行優(yōu)化,可以改善

5、照明均勻性。在實(shí)際應(yīng)用中,實(shí)現(xiàn)利用較少的LED模塊獲得較高的照度均勻優(yōu)化效果,案例均勻度達(dá)到了0.6以上。
　　針對(duì)大間距LED陣列光源的自由曲面光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),我們提出了一種基于自由曲面結(jié)構(gòu)陣列的擴(kuò)展光源光束控制方法。在該方法的基礎(chǔ)上,我們?cè)O(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)一維擴(kuò)束、圓形均勻照明、矩形均勻照明的光學(xué)系統(tǒng),并提出了一種光型可變換的陣列結(jié)構(gòu)光學(xué)系統(tǒng)。在微結(jié)構(gòu)板的基礎(chǔ)上提出了利用自由曲面算法對(duì)微結(jié)構(gòu)光學(xué)薄膜的面型進(jìn)行優(yōu)化,使得光學(xué)薄膜實(shí)現(xiàn)光