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,應用領域也隨之擴展,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計。二次光學設計是存在于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據測量與研究。在二次光學設計中,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計需要通過軟件進行精確的數學建模來描述各個部件之間的關系。最重要的部位就是反射鏡與透鏡,是二次光學設計必不可少的組成部分。本文主要針對大功率LED的均勻性設計做了以下四個方面的研究:(1)對LED的國內外發(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計的基本概念以及方法,同時結合實際案例對LED光源均勻性設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,介紹了光度學中經常用到的參量以及它們之間的關系,深刻地描述了二次光學設計的理論依據,即非成像光學設計理論,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,設計了一種基于菲涅爾透鏡和復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,主要是對復合拋物面反射鏡參數以及菲涅爾參數進行設計。獲取最優(yōu)仿真參數并進行加工制作,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計所能夠實現(xiàn)的優(yōu)良特性做了以下研究。結合非球面透鏡的出光原理,設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,根據三種類型的優(yōu)化仿真實驗結果,選取效果最優(yōu)類型的設計參數進行實物加工制作。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）均勻性光在農業(yè)上的應用在農業(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)在農業(yè)上保證高效生產的重要手段。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合，因為的封裝會得到不同的配光性質[26]。在照明領域中，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，需求情況設計反射鏡的參數，比如反射系數、反射鏡曲率以及反射鏡的材質，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比較低，是擴散型的反射性質可以得到比較擴散，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�，反射鏡的設計，就會得到不同的光線，根據實際需求進行設計，得到匹配的光線。如下圖是反射物圖：
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