led自由曲面透镜的设计及应用研究

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1、分类号０４３９学校代码１０５９０ＵＤＣ６２０密级奸＿疼州大孝ＳＨＥＮＺＨＥＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ硕士学位论文ＬＥＤ自由曲面透镜的设计及应用研究曾丹申请人姓名２１４０１９０５１９申请人学号电子科学与技术专业名称导师姓名及职称彭冬生副教授二〇一七五九年月日分类号O439学校代码10590UDC620密级公开深圳大学硕士学位论文LED自由曲面透镜的设计及应用研究学位申请人姓名曾丹专业名称电子科学与技术学院（系、所）光电工程学院指导教师姓名彭冬生画深圳大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创

2、性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文《ＬＥＤ自由曲而诱镜的设计及府用研究》是本人在导师的指导下，独立进行研宄工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写的作品或成果。对本文的研宂做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律后果由本人承担。论文作者签名：曰期：年ｆ月１０）学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解深圳大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：研宂生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属深圳大学。学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其他机构

3、送交论文的电子版和纸质版，允许论文被查阅和借阅。本人授权深圳大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（涉密学位论文在解密后适用本授权书）论文作者签名：ｆ导师签名：曰期年疒月曰期：年月２曰５１LED自由曲面透镜的设计及应用研究摘要LED作为新型的绿色照明光源，被广泛应用于照明产业中。然而，由于LED光源的光强类似朗伯分布，不能直接应用于照明中，需对其进行二次光学设计。其中二次光学器件大多采用透镜或反射器，而前者形成特定光斑的优势明显比后者好，故对LED自由曲面透镜的研

4、究极具意义。本文的主要工作体现在以下两个方面：(1)采用非成像光学理论知识推导了圆形和环形光斑透镜的自由曲面与LED光源及接收面之间的映射关系。首先推导出自由曲面方程组，通过解方程得到离散点坐标，然后依次建立圆形和环形光斑透镜的三维模型，并分别对其进行光学仿真模拟。当光源尺寸为1mm×1mm时，得到圆形和环形光斑的照度均匀性分别为95.7%和93.7%，光能效率分别为92.3%和91.1%。随着光源尺寸的增大，圆形和环形光斑的照度均匀性均逐渐降低，而光能效率基本维持不变，当光源尺寸增大到5mm×5mm时，圆形和环形光斑的照度均匀性都高于86%，光能效率在90%以

5、上。但当光源尺寸增大到10mm×10mm时，圆形光斑的照度均匀性不足60%，采用光学分析软件中的2D交互式优化法对其进行优化，优化后的照度均匀性提高到85%。将环形光斑透镜排列成阵列模式，通过简单的热分析验证灯具的可行性，并用DIALux软件进行场景模拟，将其应用到道路照明案列中。(2)提出了一种细化网格密度的自由曲面求解算法，并将其应用于矩形光斑透镜的自由曲面。首先采用划分网格法进行矩形光斑透镜设计原理的推导，接着根据折射定律和能量守恒定律推导出自由曲面方程组，然后通过解方程得到自由曲面的离散点坐标，并建立矩形光斑透镜模型。通过仿真模拟得到均匀性效果很好的矩形

6、光斑，当光源尺寸为1mm×1mm时，矩形光斑的照度均匀性为91.2%，光能效率为91.1%。随着光源尺寸的增大，矩形光斑的照度均匀性逐渐降低，而光能效率基本维持不变，当光源尺寸增大到5mm×5mm时，照度均匀性为82.3%，光能利用率为90.7%。但当光源尺寸增大到10mm×10mm时，矩形光斑的照度均匀性不足60%，采用反馈优化原理对其进行优化，优化后的照度均匀性提高到ILED自由曲面透镜的设计及应用研究80%。最后使用DIALux软件进行场景模拟，将矩形光斑透镜应用到道路照明案列中。关键词：LED；自由曲面；非成像光学、圆形和环形光斑透镜、矩形光斑透镜IID

7、esignandappliedresearchoftheLEDfree-formsurfacelensAbstractLEDiswidelyusedinthelightingindustryasanewtypeofgreenlightingsource.Regrettably,LEDlightsourcecannotbedirectlyappliedingenerallightingsystemsbecauseoftheirintensitysimilartotheLambertiandistribution.Consideringthis,asecondary

8、opticaldesig