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随着大功率白光LED的广泛普及,由于大流明封装和更高的发光效率使其得到更加广泛地应用,这也表明了固态照明的发展发向。LED的市场需求不断扩大,应用领域也随之扩展,大功率LED的照明系统比传统光源更有前景。然而大功率LED仍然存在不可想象的缺点,比如LED光源的朗伯体特性以及高功率LED难以在屏幕上获得高亮度,所以需要进一步的二次光学设计。二次光学设计是存在于LED封装之外的,可以聚集LED光源的光线,并具有效率高、准直度高等优点。本文利用二次光学设计手段对大功率LED出光的均匀性进行建模与仿真,并对加工出来的实体均匀光源进行数据测量与研究。在二次光学设计中,软件仿真是必不可少的环节,随着计算机处理速度的提升,计算机软件仿真成为设计优化大功率光源的有效手段。对LED以及光学部件物理特性的设计需要通过软件进行精确的数学建模来描述各个部件之间的关系。最重要的部位就是反射镜与透镜,是二次光学设计必不可少的组成部分。本文主要针对大功率LED的均匀性设计做了以下四个方面的研究:(1)对LED的国内外发展现状及趋势做了详细地阐述,系统地概括了二次光学设计的基本概念以及方法,同时结合实际案例对LED光源均匀性设计的必要性做出了充分地说明。(2)对光度学进行了详细地解释说明,介绍了光度学中经常用到的参量以及它们之间的关系,深刻地描述了二次光学设计的理论依据,即非成像光学设计理论,同时对LED的发光机理以及光电特定做出了明确的表述。(3)基于光学扩展量守恒思想,设计了一种基于菲涅尔透镜和复合抛物面反射镜的大功率LED均匀光源。通过TracePro软件模拟均匀光源的光线反/折射仿真,主要是对复合抛物面反射镜参数以及菲涅尔参数进行设计。获取最优仿真参数并进行加工制作,研制出了大功率LED均匀光源实验装置。在距离光源2.5m处,获得二维光度分布图直径为38 cm的圆面,其发散角约为2.63°,光斑有效区域的光度均匀度优于94.40%,整体出光效率超过80%。(4)为了深入剖析LED的发光特性与二次光学设计所能够实现的优良特性做了以下研究。结合非球面透镜的出光原理,设计了三种类型功率为30W的小功率LED辐射模拟器进行比较实验,根据三种类型的优化仿真实验结果,选取效果最优类型的设计参数进行实物加工制作。实物检测后,在距离出射面1m处的光屏上获得有效光斑直径为45cm,发散角为±10.81°,测得光斑的光度均匀度优于98.5%,整体最优均匀度要优于第三章中大功率LED所产生的均匀光源,但发散角偏大。