基于逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜EI北大核心CSCD

采用逆向优化设计的方法设计发光二极管(LED)路灯透镜,提高LED路灯道路照明质量和能量利用率。以城市道路照明标准为约束,优化出最大亮度照度比的理想配光曲线。基于得到的理想配光曲线,透镜采用分离变量法设计自由曲面,将光源和目标面进行网格划分,形成能量对映关系。同时对曲面构造误差进行控制,再利用反馈优化法对透镜进行优化,使透镜的配光曲线趋于理想。仿真实验表明:采用逆向优化设计的LED路灯透镜,能很好地符合道路照明标准,亮度照度比为0.067,同时相对于传统的对称型LED路灯配光曲线节省20.2%的能耗,使LED路灯达到了高照明质量和高能量利用率的目的。     

基于逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜

采用逆向优化设计的方法设计发光二极管(LED)路灯透镜,提高LED路灯道路照明质量和能量利用率。以城市道路照明标准为约束,优化出最大亮度照度比的理想配光曲线。基于得到的理想配光曲线,透镜采用分离变量法设计自由曲面,将光源和目标面进行网格划分,形成能量对映关系。同时对曲面构造误差进行控制,再利用反馈优化法对透镜进行优化,使透镜的配光曲线趋于理想。仿真实验表明:采用逆向优化设计的LED路灯透镜,能很好地符合道路照明标准,亮度照度比为0.067,同时相对于传统的对称型LED路灯配光曲线节省20.2%的能耗,使LED路灯达到了高照明质量和高能量利用率的目的。     

同时实现路面照度与亮度均匀性的LED光源光学系统研究

对于道路照明,人眼观察到的是路面的亮度而并非路面照度。理想的路面照明应能达到照度和亮度的双重均匀性。从发光二极管(LED)道路照明中路面亮度与照度的关系出发,提出了一种基于路面反射特性同时实现路面照度与亮度均匀性的设计方法。首先根据国际照明委员会(CIE)标准给出的简化亮度系数表计算路面上所有点的亮度系数;然后利用最小二乘法对路面照度和亮度同时进行分析,得到路面最优照度分布;最后采用分离变量与最小能量块迭代结合的方法对光源以及接收面进行网格划分,根据目标照度分布进行三维自由曲面光学系统设计,得到实现路面照度均匀与亮度均匀的光学透镜。将此设计应用于双车道的C1路面,实现了路面93.47%的照度均匀度,各车道观察到的路面总亮度均匀度为86.94%和89.26%。     

大功率集成封装LED路灯透镜的光学设计

为了实现道路照明所要求的矩形光斑分布,以满足LED路灯照明系统的要求,依据光源特性和路面的光斑分布,通过折射定律建立透镜母线的斜率方程,根据该方程设计了用于矩形光斑分布的LED路灯透镜,采用正交优化方法,利用LightTools软件对所设计的透镜光学系统进行仿真比较研究,得到了一个矩形光斑分布的光学透镜。仿真结果表明,该透镜光学系统在高度为10m的照射条件下,照射面积为40m×10m的矩形光斑,均匀度为0.31。对有光斑尺寸要求的LED路灯透镜来说,该方法提供了一种简单有效的设计途径。     

用于液晶显示屏幕检测的大口径小角度LED光源设计

针对液晶显示屏幕检测中光源照明均匀性较差的问题,基于非成像光学理论提出了一种大口径小角度的发光二极管(LED)照明光源设计方法。光源采用阵列式照明方式,对单颗LED设计菲涅耳透镜实现小角度的准直照明;推导阵列均匀照度分布条件并利用Trace Pro软件进行优化,确定阵列最优间距;最终通过在照明面上的光斑拼接叠加实现均匀矩形照明。照明光源由12×9个配光单元形成均匀方形阵列排布,每两个配光单元间距30 mm。仿真结果表明,光源的发光角度小于±10°,在距光源170 mm的照明面上,平均照度大于45000 lx,非均匀性3.8%,均满足设计指标。该方法设计的阵列式光源无论平均照度还是照度均匀性均比现有光源有明显优势。     

组合式发光二极管路灯反射器的设计

设计了一组合式路灯反射器,以使发光二极管（LED）路灯在道路照明时产生矩形光斑和均匀照度。在非成像光学基础上,利用复合抛物面的高性能集光作用和机械设计软件的强大作图功能,设计了一款分段组合复合抛物面反射器（CPC）。基于“边缘光线原理”和”裁剪法”,此款反射器能将朗伯型发光的LED光束整形为近似矩形分布,出光效率达96％以上。理论模拟证明：在高度为10m,范围为10m×30m内利用此反射器进行二次配光的LED路灯的照度均匀度达0．5以上。该反射式LED路灯光束整形器结构简单,光学效率高、成本低廉,模拟结果完全达到了目前我国国家道路照明规范要求。     

实现在不同场合中LED均匀照明的方法研究

 LED自身的发光特点限制了其在照明领域的应用,如何合理分配LED的能量,在目标面上形成理想的照度是一个值得研究的问题。就不同应用场合下如何进行光学设计进行分析,通过采用非成像光学设计中光学扩展度守恒方法得到透镜的方程,分别实现圆形均匀照明和矩形均匀照明,其中圆形照明面照度均匀性达到85%,矩形照明面照度均匀性达到75%,并建立了自由曲面透镜三维模型,结合Tracepro进行光线追迹。仿真结果表明：提出的方法满足相应的照明标准,验证了理论设计的合理性。     

基于自由曲面透镜的LED路灯配光优化设计

为了提高光能利用率和照度均匀性,减小炫光的产生,需要对LED路灯进行二次光学配光设计.本文以空间光折射定律为基础,对LED光线空间和路面区域进行一一对应的网格划分,结合优化的双向迭代算法生成自由曲面透镜,实现矩形光斑输出.仿真结果表明,配光后的LED整体光能利用率为90.4%,能量基本被限制30m×13m的矩形区域内,水平方向和垂直方向的照度均匀度分别为83.2%和71.7%.当LED以30m间隔平行排列时,可以在路面形成宽度约为14m的光斑,垂直照度均匀度提高为77.2%.据此开模制造的LED路灯配光曲线为蝙蝠翼型,横向和纵向±62°和±40°范围内的平均照度分别为31.17lx和25.72lx,满足国家道路照明标准,实验验证了该透镜设计算法的可行性和实用性.     

LED路灯的自由曲面二次透镜设计

配光是LED路灯应用的主要技术问题之一。道路照明要求LED路灯在路面为均匀性良好的矩形光斑,在道路外无污染,无眩光。采用Snell定律和光源扩展度守恒原理确定自由曲面的解析方程,借助Matlab工具,采用差分法求解建立的偏微分方程,得到自由曲面的数据组,用作图软件Pro/Engineer为自由曲面透镜建模,通过计算机仿真软件TracePro进行光路仿真检验设计结果,并对所得结果进行分析。设计一款内表面为椭球面,外表面为自由曲面的LED路灯透镜,实现了路面光照总均匀度0.75,纵向均匀度0.85的效果。     

机载平视显示器数字像源背光组件设计

随着COB封装技术发展,采用LED芯片构建液晶显示器背光组件成为一种新的思路;提出了LED芯片COB板结合配光透镜阵列的透镜阵列型COB新颖背光组件;通过LIGHTTOOLS软件构建了3.8Inch机载平视显示器数字像源背光组件模型,仿真分析照度均匀性达到98%,空间亮度均匀性超过85%,光能利用率超过90%。与LED芯片COB板背光组件、及机载平视显示器正用数字像源LED灯珠阵列背光组件照度、空间亮度和强度视角分布进行了仿真对比,在同样输出3150Lumen情况下,透镜阵列型COB背光组件照度超过6.6×10~5 Lux、空间亮度接近2.0×10~6 Nit,远远超过其他两种背光形式,同时保持了与LED灯珠阵列背光基本相同的视角包络。     

基于双自由曲面的LED大角度光学透镜设计

针对直下式LED背光源的均匀照明系统,采用双自由曲面组合,设计了一种大角度光学透镜结构。通过近光源面的自由曲面将光发散成的c/cos3(θ)型光场分布,再利用远光源面实现目标面的均匀分布。这样可以在短距离条件下实现大面积的均匀照明,相对于传统的单自由曲面设计,有效地避免了全反射的发生,提高了照明区域的面积。采用光线追迹软件对所设计的结构进行仿真,通过对模拟结果的分析,在灯箱厚度为15mm时,单透镜均匀照明面积可以达到60mm。采用正三角阵列分布,整个目标面均匀度达到87.5%。相对于传统的大功率器件的直下式光源方式,提高了照明的均匀度,同时大大减少了箱体的厚度。     

LED路灯室外照明特性与室内模拟关系研究

为了检验软件模拟道路照明特性的可行性,从几种不同配光曲线的LED路灯的仿真结果出发,按照规范的方法实测了它们的路面照度。比较发现,同一路面上各点的照度与仿真值之间有着相同的比值。进一步计算发现,两者的照度均匀度相等。这表明仿真软件能比较准确地反映路灯的路面照明效果。另外,还研究了路灯的光衰性能,发现散热性能好的灯具光衰更慢,寿命更长。     

LED灯具道路照明效果模拟与分析

为适应半导体产业的迅猛发展和环保节能的迫切要求,将LED作为一种新的能源方式应用到照明产业中。选取几种有代表性的LED路灯作为研究对象,根据各自不同形状的配光曲线,利用照明仿真软件Dialux对这些LED灯具在不同的布灯方式下在道路上的光照度分布情况进行模拟和分析比较,总结出适合于道路照明的LED路灯应具有的配光曲线特征,为LED灯具设计提供参考。     

Optical design of adjustable light emitting diode for different lighting requirements

<正>Light emitting diode(LED) sources have been widely used for illumination.Optical design,especially freedom compact lens design is necessary to make LED sources applied in lighting industry,such as large-range interior lighting and small-range condensed lighting.For different lighting requirements,the size of target planes should be variable.In our paper we provide a method to design freedom lens according to the energy conservation law and Snell law through establishing energy mapping between the luminous flux emitted by a Lambertian LED source and a certain area of the target plane.The algorithm of our design can easily change the radius of each circular target plane,which makes the size of the target plane adjustable.Ray-tracing software Tracepro is used to validate the illuminance maps and polar-distribution maps.We design lenses for different sizes of target planes to meet specific lighting requirements.     

基于微分方程数值解的自由曲面透镜的设计

为满足目标面上均匀照明的需求,设计了一款自由曲面透镜。根据LED光源的发光特点,结合光学成像的特性,非成像光学原理和能量守恒定理,推导出实现光能量在目标面上均匀分布的自由曲面面形的微分方程,采用matlab的ode算法求出面形上的离散坐标点,对离散坐标点拟合后得到透镜模型,通过光学模拟仿真软件对透镜模型进行光线追迹。结果表明,配光角度为80°的透镜,透镜的口径与光源发光面宽度之比大于等于9时,目标面上的照度均匀性大于0.9,光能利用率约为85%。该设计方法可以快速精确地设计出所需的透镜,而且透镜结构紧凑,单颗就能实现均匀照明,有利于LED光源照明系统的小型化。     

发光二极管路灯光强空间分布的非线性优化设计

道路照明的首要目的是满足使用者的视觉需求,在此前提下还应尽可能降低能耗实现节能环保,这两点均与道路灯具的光强空间分布密切相关。而很难用一种通用的光强分布适用不同的道路和灯具安装条件。针对主干路、次干路、支路3种典型道路类型,提出了根据具体道路、安装条件以及驾驶员视觉光环境需求逆向设计灯具最节能光强空间分布的思路,并建立了以驾驶员视觉光环境需求为约束、以灯具总光通量最小为目标的非线性优化模型,将路面照度分布表述为余弦多项式并利用分级优化方法进行了求解。得到了3种典型道路条件下发光二极管(LED)路灯的最佳光强空间分布,相比现基于照度均匀分布设计的LED路灯光强分布,驾驶员视觉光环境质量显著改善,且灯具节能30%左右。     

Optical design of a freeform TIR lens for LED streetlight

Secondary optics is a critical component determining the output efficiency and light distribution of the LED streetlight. A good roadway illumination requires the LED streetlight have a rectangular light pattern just cover the roadway and without excess spill light creeping into yards and shining into windows of neighbor residents. The adoption of the unsymmetrical freeform optics with different light distributions along X and Y directions is necessary. The whole LED streetlight can be constructed if only mounts these LED modules on the planar PCB plate. The mechanism, thermal management, and the power control electronics of the LED streetlight become very simple. In this paper, an optical design approach of a freeform TIR (total internal reflection) lens for the LED streetlight is investigated. With these freeform lenses, high output efficiency, even light distribution, and batwing far field beam angle distribution can be achieved.