LED（準(zhǔn)直）光源的SMS非成像光學(xué)設(shè)計(jì)方法.pdf

1、作為新一代綠色光源，LED具有尺寸小、壽命長（5萬小時(shí)以上）、電光效率高(80％～90％)和環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。由于LED光源獨(dú)特的空間光強(qiáng)分布特性，傳統(tǒng)照明燈具無法滿足LED光源的配光需求，也無法完全發(fā)揮其優(yōu)勢，需要針對LED的發(fā)光特點(diǎn)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)以提高LED光源系統(tǒng)的性能。LED準(zhǔn)直配光因其較小的光束發(fā)散角，具有極高的設(shè)計(jì)難度，成為LED光源配光設(shè)計(jì)的研究重點(diǎn)。
　　非成像光學(xué)中的相關(guān)理論為LED配光設(shè)計(jì)提供了有力的理論依據(jù)。在照

2、明器件的設(shè)計(jì)中普遍使用邊緣光線原理以簡化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，即光源處的邊緣光線在經(jīng)過照明器件的折射/反射后在接受面處仍為對應(yīng)的邊緣光線。當(dāng)前照明器件設(shè)計(jì)主要采用折射型（R型）、反射型（X型）和折反混合型幾種方式。無論是折射型還是反射型，其設(shè)計(jì)中心都是構(gòu)建光學(xué)表面改變光線的分布。應(yīng)用同步多曲面設(shè)計(jì)方法(SMS)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)表面的同步設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)首先選定兩個(gè)呈一定夾角的平面波前，同步計(jì)算出兩個(gè)光學(xué)表面的輪廓使其滿足由LED邊緣發(fā)出的邊緣光線在經(jīng)過

3、光學(xué)表面偏折后均以垂直于對應(yīng)波前的方向出射，將得到的光學(xué)表面構(gòu)建為實(shí)體便得到了SMS光學(xué)器件。
　　本文的主要工作和成果如下:
　　1.針對LED的準(zhǔn)直配光采用非成像光學(xué)中的SMS方法，提出了將復(fù)合拋物面和SMS光學(xué)器件結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，據(jù)此方法得到的光學(xué)元件，能夠?qū)ED光源發(fā)出的光線發(fā)散角大大縮小，且在遠(yuǎn)場處得到具有良好均勻性的照度分布圖樣。
　　2.本文給出了一套系統(tǒng)化的LED準(zhǔn)直器非成像光學(xué)設(shè)計(jì)方法，通過該方法可

4、以設(shè)計(jì)出一種準(zhǔn)直性好，光能利用率高的新型準(zhǔn)直光源，并重點(diǎn)對SMS設(shè)計(jì)方法的建模、仿真和結(jié)果分析等進(jìn)行了討論。
　　3.LED準(zhǔn)直光源設(shè)計(jì)方法的研究中分別設(shè)計(jì)了:二維-反射/反射式、三維-反射/反射式和二維折射/折射三種SMS準(zhǔn)直光學(xué)器件。該三種器件在設(shè)計(jì)中均采用復(fù)合拋物面(CPC)對LED進(jìn)行初級配光將其光線的發(fā)散角控制在45°。光學(xué)仿真結(jié)果表明:二維-反射/反射式SMS準(zhǔn)直器件能夠在遠(yuǎn)場處得到一圓形光斑，光束半發(fā)散角小于2.26

5、°，光斑均勻度＞0.91，光效達(dá)到79％;三維-反射/反射式準(zhǔn)直器件在遠(yuǎn)場接收面上得到一個(gè)較規(guī)則的方形輪廓且光束半發(fā)散角約為3.66°，考慮反射損失后其光效仍高達(dá)63％以上;二維-折射/折射式準(zhǔn)直器件能夠根據(jù)光源形狀的不同在遠(yuǎn)場處得到圓形或方形的照度分布，同時(shí)具有80％以上的光效。
　　4.本文為LED光源在準(zhǔn)直、投影光源等領(lǐng)域的研究提供了有力的理論支持。研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，SMS設(shè)計(jì)方法目前僅適用于光束發(fā)散角較小的情況如LED準(zhǔn)直或投