隨著大功率白光LED的廣泛普及,由于大流明封裝和更高的發(fā)光效率使其得到更加廣泛地應(yīng)用,這也表明了固態(tài)照明的發(fā)展發(fā)向。LED的市場需求不斷擴大,應(yīng)用領(lǐng)域也隨之擴展,大功率LED的照明系統(tǒng)比傳統(tǒng)光源更有前景。然而大功率LED仍然存在不可想象的缺點,比如LED光源的朗伯體特性以及高功率LED難以在屏幕上獲得高亮度,所以需要進一步的二次光學設(shè)計。二次光學設(shè)計是存在于LED封裝之外的,可以聚集LED光源的光線,并具有效率高、準直度高等優(yōu)點。本文利用二次光學設(shè)計手段對大功率LED出光的均勻性進行建模與仿真,并對加工出來的實體均勻光源進行數(shù)據(jù)測量與研究。在二次光學設(shè)計中,軟件仿真是必不可少的環(huán)節(jié),隨著計算機處理速度的提升,計算機軟件仿真成為設(shè)計優(yōu)化大功率光源的有效手段。對LED以及光學部件物理特性的設(shè)計需要通過軟件進行精確的數(shù)學建模來描述各個部件之間的關(guān)系。最重要的部位就是反射鏡與透鏡,是二次光學設(shè)計必不可少的組成部分。本文主要針對大功率LED的均勻性設(shè)計做了以下四個方面的研究:(1)對LED的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢做了詳細地闡述,系統(tǒng)地概括了二次光學設(shè)計的基本概念以及方法,同時結(jié)合實際案例對LED光源均勻性設(shè)計的必要性做出了充分地說明。(2)對光度學進行了詳細地解釋說明,介紹了光度學中經(jīng)常用到的參量以及它們之間的關(guān)系,深刻地描述了二次光學設(shè)計的理論依據(jù),即非成像光學設(shè)計理論,同時對LED的發(fā)光機理以及光電特定做出了明確的表述。(3)基于光學擴展量守恒思想,設(shè)計了一種基于菲涅爾透鏡和復(fù)合拋物面反射鏡的大功率LED均勻光源。通過TracePro軟件模擬均勻光源的光線反/折射仿真,主要是對復(fù)合拋物面反射鏡參數(shù)以及菲涅爾參數(shù)進行設(shè)計。獲取最優(yōu)仿真參數(shù)并進行加工制作,研制出了大功率LED均勻光源實驗裝置。在距離光源2.5m處,獲得二維光度分布圖直徑為38 cm的圓面,其發(fā)散角約為2.63°,光斑有效區(qū)域的光度均勻度優(yōu)于94.40%,整體出光效率超過80%。(4)為了深入剖析LED的發(fā)光特性與二次光學設(shè)計所能夠?qū)崿F(xiàn)的優(yōu)良特性做了以下研究。結(jié)合非球面透鏡的出光原理,設(shè)計了三種類型功率為30W的小功率LED輻射模擬器進行比較實驗,根據(jù)三種類型的優(yōu)化仿真實驗結(jié)果,選取效果最優(yōu)類型的設(shè)計參數(shù)進行實物加工制作。實物檢測后,在距離出射面1m處的光屏上獲得有效光斑直徑為45cm,發(fā)散角為±10.81°,測得光斑的光度均勻度優(yōu)于98.5%,整體最優(yōu)均勻度要優(yōu)于第三章中大功率LED所產(chǎn)生的均勻光源,但發(fā)散角偏大。
【學位單位】：杭州電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TN312.8
【部分圖文】：

圖 1.2 路燈光線照射簡圖圖中，h 代表燈的高度，s 表示其有效照明距離。一般情況下，其有效照明距離要超出燈高度的 1.5 倍。（2）均勻性光在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中，光對植物的影響是非常重要的，是植物進行光合作用的重要條件，可以影響植物的發(fā)育、成長以及代謝等各個方面[22]。由于天氣原因以及現(xiàn)在的溫室種植，覆蓋材料會對太陽光有一定的遮蔽作用，光照不足的現(xiàn)象十分明顯，所以人工照明是現(xiàn)在農(nóng)業(yè)上保證高效生產(chǎn)的重要手段。LED 的高亮度以及壽命長等優(yōu)點，是作為一種補光燈的最優(yōu)選擇[23]。同時因為其發(fā)光溫度低，不會對植物造成灼傷現(xiàn)象，可以使光能最大程度地被植物吸收。但是，由于 LED 出光不均勻的特性，使得光線不能均勻照射在植物上，造成同一批植物的生長情況參差不齊。光線較弱的地方，植物會發(fā)育不良，光線太強的地方，同樣也會抑制植物生長。所以，補光燈的均勻性十分重要。為了彌補這種不均勻性出光，采取了陣列式配光，即將多顆 LED 燈以一種排列規(guī)律實現(xiàn)的陣列發(fā)光，將其所有燈光綜合在一起，獲得均勻光。農(nóng)業(yè)上一般會使用紅、藍兩種燈光進

圖 1.5 光線追跡圖.4 常見的幾種配光方式LED 的配光是為了使得 LED 可以產(chǎn)生一定光強、功率的基本操作。配光表示為光源發(fā)各個方向的光線分布特征，體現(xiàn)為光源特性。在光線分布的任意一個方向上，光強表示位立體角內(nèi)所輻射出的光通量值的大小，單位是坎德拉。而封裝與配光緊密結(jié)合，因為的封裝會得到不同的配光性質(zhì)[26]。在照明領(lǐng)域中，LED 扮演著重要的角色，但為了滿足不同條件下的照明需求，并不是去選擇功率或者亮度大小去匹配環(huán)境，而是在這些基本條件選擇無誤后仍然需要二次配能完全滿足需求。一個完整的照明燈具從制作到完成需要兩次配光，第一次配光是在 片內(nèi)進行，要考慮它的功率、亮度、光強以及發(fā)光角度等因素；第二次配光是在 LED 芯部進行，也就是說給 LED 加一些配件，做一些修飾，比如做一個玻璃罩，可以使得其光加擴散，放一個反射鏡可以使其光線更加明亮和聚攏等等。LED 配光分為單顆 LED 配光和多顆 LED 配光。目前常見的單顆 LED 配光形式有三

杭州電子科技大學碩士學位論文反射式配光的實現(xiàn)方法主要是要設(shè)計一個反射鏡，將 LED 發(fā)出的光線進行反射，可線按照指定的方向出射[29]，進而達到配光目的。而反射鏡的制作不是十分容易的，需求情況設(shè)計反射鏡的參數(shù)，比如反射系數(shù)、反射鏡曲率以及反射鏡的材質(zhì)，這些射鏡的出光規(guī)律具有重要影響。如果反射鏡的反射系數(shù)比較高，那么就可以得到光攏、亮度程度比較高的光線；如果反射鏡的反射系數(shù)比較低，是擴散型的反射性質(zhì)可以得到比較擴散，范圍比較廣的光線；如果反射鏡是具有特定的形狀，比如拋物面或雙曲面等，那么就可以得到具有一定規(guī)律的光線；如果反射鏡被設(shè)計成更為繁，比如自由曲面，將會得到各個方向光強分布不均勻的光線�？傊�，反射鏡的設(shè)計，就會得到不同的光線，根據(jù)實際需求進行設(shè)計，得到匹配的光線。如下圖是反射物圖：
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本文編號：2875716