非成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法及其在LED道路照明工程中的應(yīng)用.pdf

1、發(fā)光二極管(LED，Light Emitting Diode)被認(rèn)為是人類歷史上繼火焰、白熾燈、熒光燈之后的第四代光源。與傳統(tǒng)光源相比，LED有著能量轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，體積小，無污染等多種優(yōu)點(diǎn)。也由于其節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，各國都競(jìng)相將其作為重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)大力發(fā)展。非成像光學(xué)(Non-imaging Optics)雖然誕生不久，但隨著太陽能技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了非成像光學(xué)理論的不斷提升，已廣泛應(yīng)用于太陽能收集，照明設(shè)計(jì)甚至是成像光學(xué)中。在照明領(lǐng)域，主

2、要關(guān)心的問題是如何將光能高效地投射到目標(biāo)面上，并在照射目標(biāo)上實(shí)現(xiàn)特定方式的照明。目前較為常用的有三種方法：微分方程法，多參數(shù)優(yōu)化法以及多表面同時(shí)設(shè)計(jì)法又稱SMS(Simultaneous Multiple Surface Design Method)法。通過這些方法可以設(shè)計(jì)出高效的LED照明系統(tǒng)，從而讓LED走進(jìn)人們的生活成為可能。但僅有高效的光學(xué)設(shè)計(jì)是不夠的，由于LED發(fā)熱量大，并對(duì)熱較為敏感，將LED所產(chǎn)生的熱量有效地傳導(dǎo)出去，也是

3、必須要解決的問題。本論文就從LED照明系統(tǒng)光學(xué)和熱學(xué)兩方面進(jìn)行了相關(guān)的研究和探索。 以LED路燈設(shè)計(jì)為實(shí)例，我們采用區(qū)域分割的思想對(duì)LED路燈進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，使用現(xiàn)有的聚光透鏡對(duì)光源發(fā)散角進(jìn)行調(diào)整，讓每顆LED分別照射特定的區(qū)域，通過這些照明區(qū)域的疊加實(shí)現(xiàn)道路的均勻照明。上述的LED路燈由多列LED組成，每列LED的旋轉(zhuǎn)角度和發(fā)散角大小各不相同，但如果直接將這些相關(guān)參數(shù)設(shè)為可變參數(shù)采用多參數(shù)優(yōu)化法進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于所需優(yōu)化的變量過多，

4、會(huì)降低優(yōu)化效率，甚至難以得到滿意的解。針對(duì)上述問題，我們提出了光源逐級(jí)遞加采樣點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化法來優(yōu)化設(shè)計(jì)LED路燈中的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)LED光源的發(fā)光特性，逐列遞加LED，并根據(jù)照明要求動(dòng)態(tài)改變采樣點(diǎn)位置，更新評(píng)價(jià)函數(shù)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過多次疊加、優(yōu)化之后將路面照明區(qū)域填滿，最終得到滿意的結(jié)果。設(shè)計(jì)結(jié)果經(jīng)過ASAP軟件仿真和實(shí)際測(cè)量均達(dá)到了道路照明標(biāo)準(zhǔn)中第一級(jí)別快速路的要求。光源逐級(jí)遞加采樣點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化法減少了優(yōu)化過程中變量參數(shù)的個(gè)數(shù)，提高了評(píng)