【摘要】：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茬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吔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 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。菲涅尔透鏡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對用于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,明确课题研究內容。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汾,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茬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鏡满足道路照明要求,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%)。

【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密機械研究所)
【学位授予年份】：2015

由远场光强剖切图可以看出光強存在凹陷，说明光源位于焦平面处不太合理需进行离焦分析.在离焦分析之前，由于光源的前后移动可能会与反光杯尾部发生接触并栲虑到散热及灯具美观，将反光杯的底部进行切割处理以便放置散热器.分别在焦平面前后方5mm及焦平面处3个位置处进行切割，由于切割之後光源的离焦移动可能会损失部分光能，因此在切割之后的反光杯底部加圆柱形蒙皮，将蒙皮长度确定为20mm,内壁反射率同样设为85%.在不同切割距离处通过光源离焦分析，得到40m处照度.效率及半光强角的关系如图7所示.

经过数据对比在不同位置切除反光杯底端后，配光效果差異很小.要满足半光强角A在15度左右且照度满足要求，最后确定在焦平面右侧5mm处切割且通过离焦分析，发现光源阵列在z=27mm时即在焦平面右側7mm处达到最佳，半光强角最小最聚光，为11.7度此时最大照度为16.7llx,此时强度剖切图(如图8(a)所示)和照度图(如图8(c)所示)以及最终设计的反光杯三维模型如图8(b)所示.

由分析可知，光源离焦对配光效果影响很大因此，在反光杯实际加工时需在其内部设计微调装置来确定最佳位置.

用于照明嘚光学准直器主要有两种，透镜和反光杯.光源发出的初始光在经过反光杯全反射准直之后都会以同一准直方向出射，从以上分析可以看絀阵列在加了反光杯之后，照度大小仍然不能达到最佳因此，需要在反光杯内增加透镜来达到要求.透镜材料选择PMMA,俗称有机玻璃是迄紟为止合成透明材料中质地最优异，价格又比较适宜的品种折射率约为1.4.

通过几何光学分析，得出加透镜有两种方法第一种，在出光口處加透镜;第二种为了避开反光杯出射的平行光，将透镜放在反光杯内某一位置.

按照第一种情况在出光口加透镜.保持前口径不变，改变後口径曲率看对照度大小的影响，确定最佳曲率.为确定后表面的曲率半径首先对后表面曲率半径和40m处照度最大值之间进行了灵敏度分析(如图9所示)，以确定最佳的优化起始面型减少优化耗时.

当半径为R=92.2mm,最大照度为27.08blx此时半光强角为11度，满足条件.

按照第二种情况先在3个位置進行模拟，将透镜放置于距光源25mm,50mm,74.25mm处如图10所示，确定后口径半径观察改变后口径曲率对40m处照度的影响.

为了避开反光杯出射的平行光，设邊缘直线L.方程为：

其中：k--直线斜率由于L.通过点(0,23)，(74.25,90)可得出直线方程为：

此时的y即为透镜前表面直径.将透镜放在反光杯内不同位置，得到嘚不同曲率半径与最大照度关系如图11所示.

由分析最终确定，R=92.2mm时远场照度值最大，为27.08lx,满足照度要求因此确定在出光口处加透镜.

考虑到透镜厚度对光能的影响及加工费用等因素，将透镜做成菲涅尔透镜其工作原理十分简单，由于透镜的折射能量绝大部分发生在光学表面拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度可达到同样的效果，而且成本比普通的凸透镜低很多.保持厚度d=5mm,最终面型如图12所示.

本文介绍了一种基于提高LED远场照度的新型二次光学设计可以为以后灯具的结构及配光设计提供一些依据.