基于微结构配光材料的LED室内照明灯具设计原理
LED作为一种新型的绿色光源，正在引领未来照明领域的发展趋势，LED室内照明产品也正逐渐普及并且全面取代传统室内照明产品。然而，由于LED光源自身的局限性，很难同时满足当今人们对灯具高效节能、舒适健康等的要求。表面构造球冠型微透镜等微结构及其阵列结构的聚合物材料的出现，为破解这一难题提供了新的解决方案。该材料表面的微结构阵列结构赋予了聚合物材料高效扩散、漫反射等功能，成为LED光源二次光学设计的首选配光材料。 本文以配有微透镜阵列结构配光材料的LED室内照明为主要研究对象，通过理论研究、模拟仿真、实验对比，建立用于微结构光扩散材料和漫反射材料配光分析的模型，开展基于微结构配光材料室内照明灯具的光效、舒适度等方面的研究和评价;进行基于微结构配光材料的LED灯具设计、制造以及光学性能等研究。在深入研究微结构配光材料光学特性和规律的基础上，首先，创新设计了基于聚合物表面微透镜阵列结构漫反射材料与镜面反射板相结合的新型LED灯具，得到了兼顾光效和照明舒适度的新型灯具形式;同时，研究了用微结构配光材料替代传统配光材料的方法，通过对现有LED室内办公灯具的仿真模拟和实验分析，实现了适应微结构配光材料的新型灯具结构，优化了关键参数，总结了规律。上述研究工作，为基于微结构配光材料的LED室内照明系统设计具有参考价值。论文主要研究内容如下: (1)基于微结构配光材料表面的微透镜结构单元特征，建立微结构漫反射材料和微结构扩散材料的光线传播模型;采用光学分析软件Light Tools对LED照明灯具进行模拟分析，得到了灯具的照度分布、光通量等基础配光参数，并对灯具配光系统进行优化设计。 (2)深入研究LED室内灯具的设计要求与原则，通过对现阶段LED室内灯具缺点的分析，明确灯具功能和设计定位。设计一款采用微结构配光材料与镜面反光材料相结合的新型LED灯具，通过对该款灯具的光学性能的仿真模拟、光学实验，模型制作和光学性能评价，提出基于微结构配光材料的LED室内照明系统设计的基本原理与方法。 (3)结合光生物效应原理，通过测试者在不同LED灯具下作业时的瞳孔面积变化、识别速度以及血压、脉搏等生理指标的变化率，对三种LED灯具的舒适度进行对比分析。使得LED室内照明对使用者生理、心理的影响得以量化，为设计和评价LED室内照明灯具舒适度提供了方法和依据。 (4)以LED室内办公灯具为主要研究对象，基于微结构漫反射材料和微结构光扩散材料，对格栅灯、直下式平板灯，以及其他三种LED办公灯具进行再设计，并对灯具的光效、光通量、光束角等进行了实验分析，优化了相关参数。 (5)从LED室内照明系统设计原则、现阶段发展着手，对未来LED室内照明的趋势进行分析和展望。以现代工业设计方法学为指导，以实现先进科学技术与艺术造型有机融合为目的，基于对微结构配光材料的配光特性、生物响应的研究，对多款基于微结构配光材料的LED室内照明常用灯具了创新设计，为基于微结构配光材料的LED室内照明灯具设计奠定了基础。
室内照明灯具;发光二极管;结构设计;微结构配光材料
北京化工大学
硕士
机械电子工程
吴大鸣
2016
中文
TM923.34;TM923.03
115
2017-05-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）