非成像離散多面擬合自由曲面光學器件設計及其在照明應用中的研究.pdf

1、瓦級大功率白光LED器件的發(fā)展，為LED在通用照明和特種照明提供了廣泛的應用前景。為充分利用LED器件的光通量，并為相應的照明場景提供優(yōu)質合理的光學配光，同時依靠CAD/CAE和精密加工等技術的支持，基于非成像光學的自由曲面光學器件的研究得到了迅速的發(fā)展，旨在實現(xiàn)嚴格的光形控制、精確地光能量分布、以及照明系統(tǒng)的整體高光效。為克服當前自由曲面光學器件設計中的一些瓶頸，提高LED照明應用的整體性能，本文進行了離散多面擬合自由曲面光學器件的算

2、法研究和應用，并取得以下幾點成果:
　　第一，基于擬合光滑拓撲關系的思想，提出了折射離散子面擬合空間自由曲面重構光學器件的算法。推導了旋轉笛卡爾橢球的極坐標方程，使用離散笛卡爾橢球構建多面陣列，來計算光強空間與目標照度空間的離散拓撲關系;通過對該拓撲關系進行三維曲面擬合，生成了完全不同于傳統(tǒng)網(wǎng)格劃分的連續(xù)拓撲關系;根據(jù)連續(xù)拓撲關系，在三維建模軟件中構建了自由曲面透鏡，并使用光學模擬軟件追跡得到了目標照度分布，與預期光斑基本一致，從

3、而為連續(xù)自由曲面透鏡設計提供了可行的設計方法。
　　第二，基于CIE推薦的路面亮度系數(shù)表對道路照明的配光進行了兩維參數(shù)化優(yōu)化，并利用離散子面擬合算法設計了相應的自由曲面透鏡。在通用照明場景下，計算了不同位置的燈具在測試區(qū)域的單燈亮度系數(shù)表，分析和討論了各燈具對于路面整體亮度貢獻的影響。基于單燈亮度系數(shù)表，使用兩維參數(shù)化的三角函數(shù)，分別沿道路橫向和縱向來描述整個路面的照度分布，并通過對各參數(shù)的優(yōu)化，獲得了滿足高亮度均勻性、高縱向均勻

4、性、高照度均勻性和高亮度/照度比的水平照度分布;在此基礎上，拓展了第二章的離散多面擬合算法，計算并設計了基于優(yōu)化配光的透鏡模型，仿真結果基本達到設計要求，為優(yōu)質道路照明的二次光學提供了一種解決方案。
　　第三，設計完成了離散多面組合的面板式收光的自然光照明光學系統(tǒng)和折反式多面組合的LED前照燈遠光照明光學系統(tǒng)。基于離散多面的面板式收光器采用了平板式的結構，實現(xiàn)了41.4％的自然光收集率，面板結構緊湊、便于加工;基于多面組合的LED