大功率LED封裝與應用的自由曲面光學研究.pdf

1、隨著大功率LED流明效率不斷提高、成本不斷下降，大功率LED在通用照明與特種照明領域得到了越來越廣泛的應用，如LED路燈、LED背光、LED汽車前照燈等等。高光效、光形可控與高空間顏色均勻度是實現(xiàn)高品質LED照明不可或缺的三個關鍵因素。為了克服現(xiàn)有光學設計方法的不足之處，提高LED照明品質，本論文圍繞上述三個關鍵因素開展了LED封裝與應用的自由曲面光學研究，并取得以下創(chuàng)新性成果：
　　 在光效與光形可控方面，對于圓對稱光斑點光源

2、情況，提出了一種新的任意配光曲線光源計算簡單、任意出光角度準確可控的LED均勻照明自由曲面透鏡設計算法。
　　 對于圓對稱光斑擴展光源情況，提出了一套創(chuàng)新的基于反饋優(yōu)化的擴展光源自由曲面透鏡設計算法，包括優(yōu)化目標平面面積網格劃分、優(yōu)化光源能量網格劃分與兩者協(xié)同優(yōu)化三種設計方法。有效克服了擴展光源對照明效果的劣化，UE 從0.53提高到0.90。
　　 對于圓光斑空間整體均勻照明問題，提出了一種新的逆向設計方法，包括優(yōu)化配

3、光曲線與實現(xiàn)任意配光曲線的新自由曲面透鏡算法兩部分?；谠摲椒?，設計了兩個集成自由曲面透鏡的新型直下式背光用LED模塊，在大距高比時顯著提高了UE（從0.446提高到0.915），同時大大減少了LED數(shù)量（1/4以下）。
　　 對于非圓對稱光斑（例如常用的矩形光斑）點光源情況，提出了一種改進的非連續(xù)自由曲面透鏡算法，具有任意配光曲線計算簡單、能量對應靈活、光形可控度高等優(yōu)點。同時，提出了兩種新的連續(xù)自由曲面透鏡算法，分別為基于中

4、心輻射與基于矩形網格能量對應關系。新型自由曲面透鏡出光效率高，能夠實現(xiàn)均勻的近似矩形光斑，已成功應用于LED道路照明。
　　 對于非圓對稱光斑擴展光源情況，基于同樣的反饋優(yōu)化設計思路，創(chuàng)新地提出了二次光學與一次光學相集成的應用導向型LED封裝模塊（ASLP），可實現(xiàn)均勻矩形光斑，能直接滿足道路照明的需求。ASLP具有體積?。▇1/8）、系統(tǒng)光效高（提高~8.1％）、成本低（降低17％）、方便客戶使用等優(yōu)點。同時，設計了一基于LE

5、D陣列光源的道路照明用多功能集成ASLP模組，具有系統(tǒng)光效高（提高~19.4％）、維護替換方便等優(yōu)點。
　　 對于非圓對稱光斑空間整體均勻照明問題，以實現(xiàn)亮度均勻道路照明為目標，提出了兩種新的亮度均勻光學設計方法，分別為組合法與亮度均勻自由曲面透鏡算法。這兩種方法都顯著提高了道路亮度均勻度，UL 從0.30迅速提升到0.70，并已經成功應用于實際LED道路照明。同時，提出了一種新的亮度均勻非對稱自由曲面透鏡設計算法以提高道路照明

6、利用率，平均亮度提高了25％。
　　 除了光效與光形可控方面，對LED照明空間顏色均勻度（SCU）也進行了研究。提出了一種采用自由曲面透鏡來提高LED照明SCU的新方法。集成自由曲面透鏡的新型LED封裝模組的SCU從0.334增加到了0.957，并且對不同熒光粉層結構具有較好的穩(wěn)定性與一致性。同時，采用空間顏色均勻自由曲面透鏡能夠大大降低LED的⊿u’v’值，提高LED照明品質。該新方法具有工藝簡單、成本低、光效高、效果顯著等優(yōu)