用于LED道路照明的渐变菲涅尔透镜设计
LED作为一种新兴照明光源,因其在生产过程中不会产生污染,成品绿色环保,功耗远低于传统高压钠灯,且使用寿命长、电光转换效率高,使得越来越多的国家开始关注它在照明领域的发展前景.在照明行业中,传统灯具被LED所取代已成为一个必然趋势.作为城市化建设的一项重要内容,良好的夜间道路照明条件也可以减少犯罪活动出现的概率,并具有美化城市夜景的效果.将LED用于道路照明时,由于其固有的光强度分布曲线无法直接满足道路照明的要求,需要通过二次光学设计来改造原有的光强度分布曲线,形成所需的配光曲线,因此,如何最大化提高灯具的光效率以及选择合适光强度分布形式即LED二次光学设计成为道路照明的重要研究课题.现阶段国内外用于道路照明的LED透镜主要采用自由曲面透镜的结构形式,可分为"花生壳"透镜和TIR(total internal reflection)透镜两种类型.但这两种透镜均存在厚度较大从而导致散热性差的问题,而且这一缺点因传统透镜的结构特点而无法克服.菲涅尔透镜相比于传统透镜最大的优势是厚度薄、重量小、透光率高,但由于其保留了原透镜的曲率半径,因此可基本保持原光路不变.本课题立足于对用于LED道路照明的渐变菲涅尔透镜设计,论文内容主要包括以下方面:1)介绍了LED的优势、分类方法及自由曲面透镜的几种设计方法,明确课题研究内容.研究了《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2006)的配光要求.在介绍非成像光学理论的基础上,分析了照明的相关概念、自由曲面光学器件的设计方法和路灯透镜设计流程.2)确定所用LED光源的辐射特性,以及目标照明面的照度要求,根据能量守恒定律将光源和目标照明面进行均匀的网格划分,然后以边缘光线理论以及Snell定理作为理论基础,列出反映自由曲面面型的偏微分方程,使用Matlab计算得到自由曲面的面型数据.3)构建自由曲面透镜模型,将面型数据导入Solidworks中通过曲线放样、曲面缝合以及镜像等步骤,拟合出透镜实体.在研究过程中,提出一种新的快速建模的方法.该方法是在Tracepro中,利用Scheme语言直接快速建模.分析比较了两种建模方法的利弊.4)构建渐变菲涅尔透镜,建模出10个出光效果相同但大小不同的自由曲面透镜,叠加后进行切割,使其外表面呈现出菲涅尔面型,从而减小透镜体积、增加散热性能.通过光学设计软件Lighttools模拟分析结果表明设计的渐变菲涅尔透镜满足道路照明要求,光照均匀性好(照度均匀度达68%),且透镜厚度明显变薄,解决了传统自由曲面路灯透镜散热性能差的问题,提高了LED的透光效率和使用寿命.经过合理排布渐变菲涅尔透镜,进一步提高了光照均匀性(照度均匀度达95%).
- 作者：
- 戴艺丹
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
- 专业名称：
- 光学工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 屈恩世
- 中图分类号：
- TM923.34；TU113.666
- 关键词：
- LED；自由曲面透镜；菲涅尔透镜；非成像光学；二次光学设计
- LED； Free-form surface lens； Fresnel lens； Non-imaging optics； Secondary optical design