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

1、隨著大功率發(fā)光二級管(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行整體封裝形成擴展光源模塊來提高光源光通量已經(jīng)成為LED封裝的主流趨勢。但另一方面,多LED芯片的集成封裝會導(dǎo)致光源的發(fā)光面積增大,光源的近場區(qū)域不再可以視為點光源和Lambert型配光來進行處理,為LED的應(yīng)用光學設(shè)計帶來了巨大的難題。本論文圍繞實現(xiàn)

2、陣列式LED擴展光源的光束控制及其優(yōu)化方法,進行了LED自由曲面光學設(shè)計與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)計方法,并基于這些算法設(shè)計了各種新型自由曲面透鏡,提高了LED光學系統(tǒng)的光效,實現(xiàn)了配光可控和光型可變換。研究內(nèi)容主要包括小間距LED陣列自由曲面光學系統(tǒng)優(yōu)化方法和大間距LED陣列的光學系統(tǒng)設(shè)計與陣列排布方式的自動優(yōu)化方法等。
　　針對小間距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)控理論來實現(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)上進行了能量映射優(yōu)化,實現(xiàn)了對擴展光源的光型可控。在此方法的基礎(chǔ)上,我們又提出了非對稱形式的網(wǎng)格調(diào)控方法。該方法除上述方法的優(yōu)點以外,能量映射關(guān)系更為靈活?；趦煞N方法我們設(shè)計的兩款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。
　　針對小間距LED芯片陣列擴展光源的光強度分布優(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度分布信息來反向優(yōu)化透鏡面型,使得擴展光源所造成的配光劣化得到補償。利用該方法設(shè)計了正態(tài)分布形式的高光效、可調(diào)節(jié)地面導(dǎo)航光學系統(tǒng),各項光學指標符合ICAO的相關(guān)要求。
　　針對大間距LED光源陣列的優(yōu)化排布,提出了兩種基于區(qū)域補償理論的均勻照明自動調(diào)節(jié)算法——區(qū)域擴展法和亞區(qū)域補償法。此方法能夠根據(jù)實際的光強度獲得可用于模擬運算的光強度分布形式,通過對LED陣列的排布方式進行優(yōu)化,可以改善

5、照明均勻性。在實際應(yīng)用中,實現(xiàn)利用較少的LED模塊獲得較高的照度均勻優(yōu)化效果,案例均勻度達到了0.6以上。
　　針對大間距LED陣列光源的自由曲面光學系統(tǒng)設(shè)計,我們提出了一種基于自由曲面結(jié)構(gòu)陣列的擴展光源光束控制方法。在該方法的基礎(chǔ)上,我們設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)一維擴束、圓形均勻照明、矩形均勻照明的光學系統(tǒng),并提出了一種光型可變換的陣列結(jié)構(gòu)光學系統(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微結(jié)構(gòu)光學薄膜的面型進行優(yōu)化,使得光學薄膜實現(xiàn)光