光学工程硕士论文-LED道路照明光学系统及光能分布的研究.pdf

天津大学 硕士学位论文 LED道路照明光学系统及光能分布的研究 姓名：张芸 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：刘铁根 20070601 中文摘要 本文对发光二极管道路照明灯具的光学系统进行了探讨和研究。利用光学机 构仿真软件L i g h t T o o l s 对L E D 进行光学建模。在此基础上展开L E D 的二次光学 设计，旨在提高道路表面的光强分布均匀性。 进入2 1 世纪，发光二极管因其具有的诸多优点，已越来越受到广泛的重视 和应用。目前市场上的L E D 道路照明灯具，光学性能较差，不能满足国家标准 的要求。本论文的目的是针对L E D 节能型道路照明灯具进行二次光学设计，采 用合理的外光学系统，改善灯具的光照分布性能，使得灯具的照度分布满足要求 的同时，保证照明器件结构简单，拆装方便。 本文详细介绍了道路照明灯具的光学特性、道路照明的指标和国家标准，对 照明设计方法和照明设计软件进行了分析。利用仿真软件模拟路面的光照度分 布，比较不同形式的非成像光学组件对于L E D 道路照明灯具光学性能的改善， 分析其特性。基于菲涅尔透镜的原理，提出一种具有菲涅尔透镜微结构特征的散 射元件，并根据模拟出的路面光强分布分析其性能，通过比较各种元件组合方式 的优劣，最终给出一个比较合理的光学系统以提高边缘路面的光照度。 在仿真设计的基础上，加工出散射元件，并从元件夹角和道路边缘照度方面 进行了大量实验的验证。结果表明，设计出的散射元件能够改善灯具的光照分布 性能，改善路面照度的均匀度。为迸一步提高灯具的光照分布性能，本文采用反 射元件与L E D 照明系统结合的方式进行实验，结果显示反射板可以提高对光能 的利用并能够增加边缘路面的照度。最后，在以上实验结果的基础上，提出了将 反射板与散射元件结合的L E D 照明光学系统，使得L E D 照明灯具的光照度性能 得到进一步的改进。 关键词：发光二极管L i g h t T o o l s 仿真模拟边缘路面照度散射元件 A B S T R A C T T h i st h e s i si s 也ed i s c u s s i o na n dr e s e a r c ha b o u tt h ed e s i g na n di l l u m i n a n c e d i s t r i b u t i o no ft h ei l l u m i n a t i o ns y s t e mo f L E Ds o u r c e sf o rr o a dl i g h t i n g W i t ht h eh e l p o fo p t o m e c h a n i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e - - L i g h t T o o l s ，as o u r c eo fL E Da r r a y si s m o d e l e d O nt h eb a s i so ft h em o d e l i n gr e s u l t s ，a l lo p t i c a le l e m e n ti si n t r o d u c e dt o i m p r o v et h ei l l u m i n a n c ed i s t r i b u t i o no ft h eL E Da r r a y s B e c a u s eo ft h e i ra d v a n t a g e s 。L E Ds o u r c e s 锻em o r ea n dm o r ew i d e l yu s e d A t p r e s e n t ，i l l u m i n a n tq u a l i t yo fL E D s o u r c e sf o rr o a dl i g h t i n go nt h em a r k e ti s n tg o o d e n o u g h r h ep a p e ri st Od e s i g nas i m p l e s t r u c t u r e da n de a s y - h a n d l e do p t i c a ls y s t e mt o i m p r o v ei t sq u a l i t y 1 1 1 ep a p e ri n t r o d u c e st h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h es o u r c e s ，t h ei n d e xa n dn a t i o n a l s t a n d a r d sf o rr o a dl i g h t i n ga n ds u m m a r i z e st h em e t h o d so fi U u m i n a n c ed e s i g nw i t h a n dw i t h o u ts o f t w a r e s B yc o m p a r i n gt h ei l l u m i n a n c ed i s t r i b u t i o nc h a r t sg e n e r a t e db y t h ep r o f e s s i o n a ls o f t w a r e - - - L i g h t T o o l s ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ei U u m i n a n c ep r o p e r t i e s o ft h ed i f f e r e n tn o n i m a g i n go p t i c a le l e m e n t sa p p l i e dt ot h eL E Dl i g h t i n gs y s t e m B a s e do n 也e p r i n c i p l e so f t h eF r e s n e ll e n s e s as c a t t e re l e m e n tw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h eF r e s n e ll e n s e s m i c r o s t r u c t u r e si sp r o p o s e da n db ym u l t i p l et i m e so fs i m u l a t i n g a n db yc o m p a r i n gt h er e s u l t s ，as o u n do p t i c a ls y s t e mi sp r e s e n t e dt oi n c r e a s et h e u n i f o r m i t yo ft h e 强l u m i n a n c ed i s t r i b u t i o no nt h e r o a d A c c o r d i n gt ot h ed e s i g n ，a n e l e m e n ti sp r o c e s s e d ，a n dal a r g ea m o u n to f e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u tt ov e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h eo p t i c a ld e v i c e 珊e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es c a t t e re l e m e n td e s i g n e dc a ni m p r o v et h eo p t i c a l p r o p e r t i e so ft h e s o u r c ea n di n c r e a s et h eu n i f o r m i t yo ft h ei U u m i n a n c eo nt h er o a d S s u r f a c e A n di no r d e rt of u r t h e ri m p r o v et h ep r o p e r t i e s ，r e f l e c t o r sa r ea p p l i e dt ot h e L E Da r r a y ss o u r c e T h er e s u l t ss h o wr e f l e c t o r sc a ni n c r e a s et h el i g h tu t i l i z a t i o n e f f i c i e n c ya n dc a na l s oi n c r e a s et h eu n i f o r m i t yo fi l l u m i n a n c e T oc o n c l u d e ，t h e o p t i c a ls y s t e mw h i c hc o m b i n e st 1 1 e s c a t t e re l e m e n t sw i t ht h er e f l e c t o r sc a l lf u r t h e r m o r ei m p r o v et h es o B r c e so p t i c a lp r o p e r t i e s K E YW O R D S ：L E D ，L i g h t T o o l s ，s i m u l a t i o n ，i l l u m i n a n c eo n t h ee d g eo ft h er o a d s ， s c a t t e re l e m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞蕉鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名；签字目期： 年月曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：年月目 导师签名：I 锹穆导师签名：l 彳欢虿汐 签字日期；2 伊7 年莎月g 日 | 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 2 半导体照明发展背景和趋势 进入2 1 世纪，能源的短缺和环境污染越来越制约着人类的发展。因此原本 用于电机电子产业的发光二极管( L i g h tE m i t t i n gD i o d e ，L E D ) ，因其具有的诸多 优点，已广泛应用在交通灯，信号灯，全色大屏幕室内、室外广告牌、D V D 光 存储等领域【l 】【2 】【3 】。有人估计，美国5 5 的白炽灯和5 5 的荧光灯被白光L E D 替代，每年可节省3 5 0 亿美元，减少7 5 5 亿吨的C 0 2 排放量 4 】。 1 2 1L E D 的发光机理及优点 1 L E D 发光机理 在电场的作用下，半导体材料发光是基于电子能级跃迁的原理。 发光二极管的核心部分是由P 型半导体和n 型半导体组成的晶片，在P 型半 导体和1 1 型半导体之间有一个过渡层，称为P N 结。当给发光二极管的P N 结加正向电压时，# H J n 电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散 运动加强。由于电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由N 区扩散到P 区是载流子扩散运动的主体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带 中的空穴复合时，电子由高能级跃迁到低能级，电子将多余的能量以发射光子的 形式释放出来，产生电致发光现象。 2 L E D 优点 1 1 1 5 6 7 1 8 1 1 9 ( 1 ) 光效高 白炽灯、卤钨灯的光效为1 2 - - - ，2 4 1 m W ，荧光灯的光效为5 0 - - - 7 0 1 m W ，钠灯 的光效为9 0 - - 一1 4 0 1 m W ，而L E D 的光效经改良后可达到5 0 1 0 0 1 m W ，而且光 的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。人们预测，随着技术的 进步，到2 0 1 0 “ 2 0 1 5 年，白光L E D 的光效将达到1 5 0 1 m 厂2 0 0 h 们，远远超 过所有照明光源的光效。 ( 2 ) 节能、功耗低 L E D 在发光过程中，只有很少一部分的电能变为热能，大部分都变成了光能。 采用发光二极管作为新光源，在同样的照明效果下，其耗电量是白炽灯泡的八分 之一，荧光灯管的二分之一，因此耗能小，一般的L E D 可以提供几十小时甚至一 天津大学硕士学位论文第一章绪论 百小时以上的持续照明。据日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的L E D 替 代日本一半的白炽灯和荧光灯相当于每年可节约6 0 亿升原油。 ( 3 ) 使用寿命长 L E D 灯体积小、重量轻，用环氧树脂封装，其结构不像白炽灯有玻璃泡、 灯丝等易损坏部件，也不像荧光灯有体积大的灯管和附件，它是一种全固体结构， 因此，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。一般来讲，普通白炽灯的寿命 约为1 0 0 0 小时，荧光灯寿命约1 0 0 0 0 小时，而L E D 的平均寿命达1 0 万小时， 是普通灯管的数十倍，正常使用下使用寿命甚至可以超过人的寿命。因此，L E D 大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。 ( 4 ) 开关时间短 L E D 发光的响应快，它的响应时间为纳秒级，荧光灯为O 1 m s ，日光灯般 为毫秒级，可在高频条件下使用，提高安全性。 ( 5 ) 安全环保 现在使用的白炽灯工作的过程中，发出过多的热量，影响环境温度；而现在 广泛使用的荧光灯、汞灯灯光源中含有危害人体健康的汞，这样发光过程和废弃 的灯管都会对人体健康和环境造成危害。而L E D 没有这些问题，是种无污染的 光源。 ( 6 ) 发光体接近点光源 L E D 的发光体芯片尺寸很小，在进行灯具设计时基本上可以把它看作点光 源，这样能给灯具设计带来许多方便。白炽灯的发光体是灯丝，有一定的长度， 荧光灯的尺寸更大，这些照踞光源都不能看成点光源，在灯具设计时首先要建立 一个光源辐射模型，处理起来有一定的难度。而点光源的光源辐射模型是最简单 的，这有利于L E D 灯具的设计。 1 2 2 发光二极管照明的现状和发展前景 因此L E D 被认为是2 1 世纪最有价值的新光源，它的存在真正点燃了“绿色 照明”的光辉。“绿色照明”是国外照明领域在上世纪8 0 年代末提出的新概念， 我国“绿色照明工程”的实施始于1 9 9 6 年。实现这一计划的重要步骤就是要发 展和推广高效、节能照明器具，节约照明用电，减少环境及光污染，建立一个优 质高效、经济舒适、安全可靠、有益环境的照明系统。其科学定义为：采用效率 高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品( 电光源、灯用电器附件、灯具、 配线器材，以及调光控制和控光器件) ，改善提高人们工作、学习、生活的条件 和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文 明的照明【l0 1 。许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程”计划， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 并取得了显著的进步。 半导体照明问世尽管已有4 0 多年，但长期以来，半导体发光二极管只能发 彩色光辉，虽然五色斑斓，却不能用于日常照明，只能在装饰等领域充当辅助光 源的角色。直到二十世纪九十年期，第三代半导体材料氮化镓的突破和蓝白发光 二极管问世后，半导体照明才得以进入日常照明这一照明领域的主阵地。事实上 半导体照明如今已经深入到我们生活的方面，像我们正在使用的手机、电脑、数 码像机、仪器仪表中都有半导体照明的身影，在城市景观照明中半导体照明更是 得到了广泛的应用【1 1 1 。 由于发光二极管所具有的无可比拟的优势，它将最终取代白炽灯和日光灯成 为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命，从而一定程度上改善人类的 生产和生活方式。对于L E D 的研究和开发，国际著名的照明公司均给予了其足 够的重视，并斥巨资投入研究与开发，研究的焦点主要集中在新发光材料、封装 材料等的开发；P H I L P S 公司与H P 公司合资的L t t m i l e d s 、德国的O S R A M 、美 国G E 以及日本的日亚( N i c h i a ) 、美国E M C O R E 和G E 联合、日本的T o s h i b a 和 H o n d a 联合等均投入大量人力、物力、财力进行研究，以期在这一新世纪光源领 域占领制高点。而在国内，约2 0 余家研究机构和企业在进行G a N 蓝绿光L E D 和白光L E D 的研究和开发，但目前与国外的差距还比较大。主要原因是目前在 投入资金、设备和人才方面均无法与国外相比，而且研究机构相对比较分散。可 是一些科研院所，如中国科学院物理所和长春光机与物理所、北京大学、北京有 色金属研究院、石家庄十三所等单位也相继开展了这方面的研究工作，目前已取 得了可喜的进步，正在缩短与国际先进水平的差距。 对于L E D 应用于照明的研究，国内外也都一直致力于光学结构设计、灯具 开发和照明效果与视觉匹配等领域的创新和研究：奥地利的照明设计公司曾采用 了1 4 0 0 0 只白光和彩色L E D 的混合照明整个房间，光照水平达到6 0 0 7 0 0 勒克 斯，足够一间普通办公室的照明；瑞典很多城市采用L E D 作交通信号灯，以减 少对发热量大的传统交通信号灯的需求；美国G E 公司、德国S I E M E N S 、O S R A M 公司、日本N O K I A 、S O N Y 等公司也都致力于L E D 照明产品和照明系统的开发。 美国能源部预测，到2 0 1 0 年将会有5 5 的白炽灯和荧光灯被半导体灯替代，每 年可节约3 5 0 亿美元。2 0 0 1 年7 月在美国“半导体照明技术蓝图”的基础上， 美国能源部启动一项名为“N e x t G e n e r a t i o nL i g h t i n gI n i t i a t i v e ”( N G L I ) 的计划， 即“下一代照明计划”【1 2 1 。这项计划提案的目标是要联合产业界、大学和国家重 点实验室的力量，加速半导体照明技术的发展和应用，这项议案希望从2 0 0 3 2 0 11 年，每年提供5 0 0 0 万美元支持N G L I 计划的实施。日本提出，2 0 0 6 年就要 用半导体灯大规模替代传统白炽灯，日本2 1 世纪照明计划是由日本金属研发中 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 心( T h eJ a p a nR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tC e n t e ro fM e t a l s ) 和新能源产业技术综 合开发机构( N E D O ) 发起和组织的为期5 年的一个国家计划( 1 引。这项计划的参 与机构包括4 所大学、1 3 家公司和一个协会，目标为通过使用长寿命、更薄更 轻的G a N 高效蓝光和紫外L E D 技术使碍照明的能量效率提高为传统荧光灯的两 倍( 即降低传统照明的能量消耗) ，减少C 0 2 的产生。欧盟的彩虹计划也已于2 0 0 0 年7 月启动，其计划是通过欧洲共同体的补助金来推广超高亮白光L E D 的应用 【4 】 o 2 0 0 3 年6 月，在照明领域，我国由科技部在“8 6 3 ”计划的支持下，及时启 动了“国家半导体照明工程。2 0 0 4 年4 月，科技部确定工作重点发展新型 照明行业，并确定福建厦门、上海、大连和江西南昌为首批四个国家半导体照明 产业基地。通过“8 6 3 “ 计划等科技计划的支持，我国已经初步形成从外延片生 产、芯片制备到器件封装集成应用的比较完整的产业链。中国科学院院士郑有最 近在中国( 南昌) 半导体照明产业发展论坛上指出，作为新型照明技术，L E D 以 其应用灵活、绿色环保、调节方便等诸多优点，将引发一次照明领域的革命f l 引。 1 3 照明设计方法的发展 传统的照明设计一般是是通过实测进行的。实测法虽然比较准确，但在实验 上是一种事后估计，并且只有在照明系统制造出来以后才能进行，一旦发现其光 学特性不能满足要求，只能重新设计和制造灯具，这不但增加了人力和物力的消 耗，而且延长了灯具的设计和制造周期，从而导致企业经济效益下降。特别是随 着光源的种类变得越来越复杂，尤其是诸如L E D 等新兴光源的出现，使得传统 的照明设计方法已经滞后。 所以，将计算机编程、合适的照明设计软件和合理的光学设计相结合的L E D 照明设计方法，能更有效地进行L E D 照明设计，从而推动L E D 应用于照明的发 展。计算机编程使得L E D 照明设计中相关繁琐重复的计算变得简捷和快速，合 适的照明设计软件使得设计成为一种事前估计，再加上合理的光学设计，使设计 人员在照明器制造出以前就可以分析其光学特性是否符合照明标准，同传统的照 明设计方法相比，提高了设计的速度、准确性和经济效益【1 4 1 。 1 4 本文选题背景、完成的主要工作及各章主要内容 由于发光二极管所具有的优点，将其应用于道路照明是未来道路照明的发展 趋势，具有广阔的应用前景。它的应用将能够提高道路安全性，降低电能需求量 天津大学硕士学位论文第一章绪论 并能够减少维护费用l l5 1 。目前，采用发光二极管做照明光源制成的节能型道路照 明灯具，还没有设计合适的光学系统对照明系统的光强分布进行调整，因此目前 市场上的L E D 道路照明灯具的光学性能都比较差，不能满足国家标准的要求。 本论文的目的是针对L E D 节能型道路照明灯具进行二次光学设计，采用合理的 外光学系统，改善灯具的光学性能，使得灯具的照度分布满足要求的同时，保证 照明器件结构简单，拆装方便。 本课题主要围绕着发光二极管L E D 道路照明灯具的光学系统的设计进行研 究，主要进行了以下的工作。 首先，对道路照明的概念、指标和标准进行了讨论说明，对论文中所涉及的 知识，包括照明灯具的光学特性、道路照明的评价指标和国家标准等方面做了概 括。 然后，对照明设计的方法、原理进行了探讨研究并对L i g h t T o o l s 软件和其所 涉及的知识，包括光线追迹、光源的构建和模拟，以及结果输出进行讨论说明。 L i g h t T o o l s 把精美的三维实体系统图形输出和精确的光路显示结合在一起，其仿 真模拟功能强大，模拟效果好，光线追迹速度快，尤其在非成像照明、背光设计j 投影设计等领域引起了越来越多设计人员的重视。 最后，再对L E D 阵列光源应用于道路照明的光学原理和设计过程进行了探 讨和研究。结合照明设计软件，设计模拟出了各种不同光学系统应用于L E D 道 路照明灯具所得到的路面照度分布，确定L E D 的排列方式，并根据其结果分析 各种光学系统的优劣，优化并选择一个最佳的光学系统，改善灯具的光学性能， 从而使得路面照度分布能够满足国家标准的要求。然后，针对设计的系统进行相 应的实验测量，将L E D 节能道路照明灯具的研究、计算、设计以及实验结果进 行对比。 本文各章主要内容如下： 第一章介绍了半导体发光二极管光源的原理和优势以及半导体照明的发展 背景和趋势，介绍了“绿色照明”的定义以及国外和国内在该方面的发展。最后 叙述了目前与计算机相结合的照明设计方法。 第二章介绍了道路照明方面的相关知识、标准和指标等等。首先是照明灯具 的各项特性，其次是道路照明的评价指标，包括：照明的平均亮度、均匀度、眩 光和诱导性，最后是道路照明的国家标准，这为道路照明的设计提供了一定的评 价依据。 第三章是关于照明用系统的计算机辅助设计。首先介绍了国际上常用的几种 照明设计软件及它们所采用的光线追迹方式，然后结合照明设计方法说明采用计 算机软件进行照明光学系统设计的基本步骤再具体到采用L i g h t T o o l s 软件进行照 天津大学硕士学位论文第一章绪论 明光学系统设计的基本步骤。最后对L i g h t T o o l s 软件进行了介绍。 第四章在L i g h t T o o l s 中进行各项参数的设置。然后采用不同的光学系统包括 棱镜及柱面透镜放置在光源前，并进行仿真模拟，分析其结果。再详细论述了菲 涅尔透镜的成像原理及其参数。讨论两种情况下的光能利用效率和影响因素，并 确定菲涅尔透镜的环距，及其距离光源的远近。采用菲涅尔透镜并对该系统进行 模拟，分别采用一片菲涅尔透镜和两片透镜对接的方式，对所得的结果进行比较 和分析，找出其影响因素。基于以上工作，提出一种新型的具有菲涅尔透镜微结 构特性的散射元件。分析并确定该种元件牙结构倾角的大小，基底的厚度，与光 源所在平面的距离。在此基础上，分别比较采用片散射元件、两片散射元件与 带夹角的情况，分析比较其边缘路面的最低照度值及总照度均匀度。并得出结论， 从几种情况下的接收蕊照度分布图可以看出，其分布由一个圆形亮斑，逐渐接近 于一个矩形亮斑，从而使得路面的照度均匀度有所改善。 第五章针对加工出的散射元件，进行一系列的实验，并对数据进行规一化和 图形化处理，分析对比不同情况下的照度均匀性从而分析元件各项性能，并在此 基础上总结出影响元件散射效果的各种因素。 第六章将反射板与照明系统结合进行一系列的实验，实验结果表明该元件可 以提高对光能的利用和能够边缘路面的照度，从而提高光照度的均匀性。在以上 实验的基础上，提出了将反射板与散射元件结合的光学系统，使得光学系统的性 能得到进一步的改进。 第七章对本文工作进行了总结，并提出了对本方案可进行的改进方向与计 划。 天津大学硕士学位论文 第二章道路照明 2 1 照明灯具特性 第二章道路照明 2 1 1 道路照明灯具的光学特性 照明灯具的光学特性包括：光强的空间分布、灯具效率和灯具亮度分布和遮 光角等。 一、发光强度的空间分布 任何灯具在空间各个方向上的发光强度都是不一样的可| ；【用数字或图形把 灯具发光强度在空间的分布情况记录下来，这些图形和数字能帮助我们了解灯具 光强分布的概貌，井用以进行照度、亮度与距离、高度比等各项照明计算。 对于照明灯具，常以极坐标表示灯具的光强分布。以极坐标原点为中心，把 灯具在各个方向的发光强度用矢量表示出来连接矢量的端点，即形成光强分布 曲线( 也叫配光曲线) 。图2 一I 是一个极坐标配光曲线图。其中，T = C O 。一1 8 0 。A = C 9 0 0 _ 2 7 0 。C 表示的是水平面的角度( 立体角是由水平角度和垂直角度2 个 角度组成) 。0 0 1 8 0 。组成了一个剖面，T 就是表示光在这个剖面上的分布情况。 在支架中C O 。一1 8 0 。一般被定义为垂直与灯管方向的。同理A 就是表示光在 C 9 0 0 - 2 7 0 0 剖面上的分布情况。如图2 2 所示。 o 9 0 “ 图2 1 图2 2 时 甜 、1 、 天津大学硕士学位论文第二章道路照明 为了便于对各种灯具的光强分布特性进行比较，曲线的光强值都是按光通量 为1 0 0 0 1 m 给出的，因此，实际光强值应当是光强的测定值乘以灯具中光源实际 光通量与1 0 0 0 之比值。 照明灯具需要有合理的配光，要求一定的布光角度，保证灯具所发出的光在 路面上有较宽的范围，但也不等于光分布越宽越好，太大会产生眩光。一般来说， 路灯的光分布要求投射距离为高度的3 “ - - 4 倍。而且光分布曲线需平滑，以确保 路面上的均匀度17 1 。 二、灯具效率 灯具的效率说明灯具对光源光通的利用程度。灯具的效率总是小于1 。灯具 的效率在满足使用要求的前提下，越高越好。 三、灯具亮度分布和遮光角 灯具的亮度分布和遮光角是评价视觉舒适感所必须的参数。 灯具的测光数据中一般都有灯具在不同方向上的平均亮度值，特别是眩光角 ? - 4 5 0 8 5 0 范围内的亮度值以及灯具遮光角( 保护角) 的数据。 ( 1 ) 灯具遮光角a 是光源发光体最边缘的一点和灯具出光口的连线同水平 线之间的夹角。 ( 2 ) 灯具的平均亮度由式( 2 1 ) 计算 ， L = 二生( 2 1 ) 彳P 式中，口一一灯具在0 方向的发光强度，c d ； 由一一灯具发光面在口方向的投影面积，m 2 。 2 1 2 道路照明灯具的其它特性 道路照明灯具的基本性能还包括机械强度、防尘防水、耐腐蚀、耐热、电气 绝缘以及重量、安装、维护和外观要求等，这里不再详述。 2 2 道路照明 为了车辆夜间在道路上能安全迅速地行驶，必须具备良好的试看条件。观察 者的视觉可靠性取决于照明条件下观察路面变化的能力和舒适感，即“视功能” 和“视舒适”。如果照明条件恶劣，视觉分辨能力差，行车不舒适，容易发生交 通事故。 天津大学硕士学位论文 第二章道路照明 2 2 1 道路照明评价指标 评价道路照明的好坏，一般有以下四项指标： ( 1 ) 照明水平： ( 2 ) 照明均匀度； ( 3 ) 眩光限制； ( 4 ) 道路照明的诱导性。 道路照明为观察者提供一个视觉安全可靠的条件，必须在视功能和视舒适都 满意的条件下才能得到。这两方面的评价由以下几项指标确定，详见表2 一l 。 表2 1 确定视觉可靠性的照明评价指标 视觉可靠性的组 照明评价 成部分 照明水平亮度均匀度眩光 视功能 路面平均亮度L 洲总亮度均匀度 阈值增量刀 视舒适路面平均亮度厶 纵向均匀度跣眩光限制等级G 表2 1 中列出的各项指标之间是有内在联系的，视觉可靠性是一个整体的 含义。通常采用主观评价法对视舒适进行评价，即组织一组观察者，征询他们对 照明水平、均匀度、眩光等的意见。为此采取了“九点表”数字化法进行评价， 评价可在现场或用模型试验进行。表2 2 列出9 点的含义。 表2 2 用于主观评价的9 点表 评价 照明水平与均匀度 眩光 l坏 不能忍受 3 无法适应干扰 5 还可以刚刚可以接受 7 好满意 9 好极了毫无感觉 天津大学硕士学位论文第二章道路照明 2 2 2 平均亮度 道路表面或路面上的物体能被人们看清楚，主要取决于物体的反射光线，反 射光线越多视感觉越强烈，物体看得越清楚。因此落到路面上的照度大小并不能 直接说明视感觉的强烈程度，而应取决于路面或物体的表面亮度L ，其亮度取决 于每一单位亮度区辐射出的光量总数以及相对观察者方向的立体角。亮度的计算 公式为： L = E q 式中E 一一表面照度； g 一一亮度系数，它是该表面向观察者方向反射光总量的一个量值。 一般情况下，道路照明处在相当低的照度水平上，颜色视觉很差，不能靠颜 色的区别来识别物体和其背景亮度的差异，而是靠亮度差来识别。一个物体只有 在获得一定亮度对比C 时才能被看见，c 由下式表示 C2 式中上。一一物体本身亮度； 厶一一背景亮度。 当L D 7 Yn ，n 厂 y 2 1。 二 O x f R 一 图4 1 1 以 疗，所以此二次曲线为双曲线。又因为方程式关于X 轴对称，故等 光程面为旋转双曲面。同理，由图( 4 2 ) 可得： 玎t + 刀( 厶一工2 ) 2 + Y 2 2 = 刀- 五 ( 4 4 ) 因为这里，l I 时，则a b ，说明光束通过棱镜后被压缩，此时即使左边完全被入 射光束充满，右边出射光束仍然会出现空隙，如图( 4 1 3 ) 所示的Ah 部分； 若光线反过来入射，则M I 的情况；图( 4 1 4 ) 中 ( b ) 正好相反，出射光有能量损失，但没有出现空隙。其次考虑在左侧平行光 照明下，光线传播的情况。从图( 4 1 5 ) 中( a ) 可见，出射光有能量损失，但 不出现空隙。图( 4 1 5 ) 中( b ) 则无能量损失而有空隙出现。 综合以上各种情况，可以用F O L 组合来补偿阴影带的影响。对照明系统和 本文的放大系统，可使用两片A 型F O L ，两菲涅尔面的各环带严格一一对应， 能消除阴影带的影响，见图( 4 1 6 ) 。 如果用B 型F O L 作准直镜，而以A 型F O L 作为聚光镜，效果更佳，见图 ( 4 1 7 ) ，它在避免阴影带影响的同时，能降低对准精度。 图4 1 6 由于每个圆锥形的工作面的倾角不变，即相互平行的入射光线通过同一环时 以相同的角度偏转，而不是理想的点聚焦。这种原理性的横向像差可以靠减小环 距使其减小。实践证明，环距0 5 r a m 的F O L 就比环距l m m 的F O L 的质量有很 大提高【3 7 1 。 天律大学硕士学位论文第四章L E D 路灯光源系统的仿真设计及光强分析 环距非常小时会发生衍射效应但实际上还未小到发生衍射时，就已经由于 环距减小而使干扰面环数增多，导致F O L 散射加剧。另外菲涅尔沟槽圆角增多， 也会扩大散射现象。因此应综合考虑多种困素，恰当的选择F O L 的环距。 由于以上的因素通常厂家在加工生产菲涅尔透镜时，环距大多选取在 O2 o5 m m 之问，虽然照明系统对于成像像质没有过高要求，因此不用考虑校正 像差的问题，但这里考虑到加工因素这里选取环距为05 m m 。 此外关于菲涅尔透镜，还应该考虑温度对它的影响，由于该系统为一个热 光源，离光源太近，会导致菲涅尔透镜表面温度过高而发生变形。同时，考虑到 工作环境，即工作空间对整个系统的限制，菲涅尔透镜离光源的距离亦不能太远。 4 3 3 菲涅尔透镜对灯具光学性能的影响 首先模拟一个长2 0 0 r a m ，宽1 8 0 r a m 的线聚焦菲涅尔透镜，其基底为2 m m ， 环距为O5 m m 距离光源平面的距离为6 0 m m ，如图4 一1 8 和图4 - - 1 9 所示，图中 Y 轴仍为道路方向。由图形显示可知，与棱镜和柱面镜的情况相似，只有中心的 照度得到一定改善，士5 m 范围内的曲线变化平缓，但是边缘的照度没有多少改变， 光能有一定程度的减少。光斑的形状由圆形变向矩形，但是并没有达到改善均匀 度豹程度。 图4 - 1 8圈4 一1 9 为了了解透镜与光源距离的改变对于照度的影响，改变该距离值并进行模 拟。图4 2 0 和图4 2 1 为透镜与光源平面的距离为2 0 m m 时得到的结果。该结 果表明，该透镜在此距离上，路面上的照度有所增加，其照度峰值到了2 0 I x 以 上，说明光能利用率提高。平均照度和照度均匀度都有所恶化图4 2 0 中的曲 线变的比较尖锐，曲线的倾斜较大，Y 轴上的边缘照度值降低到了大约Ib 【。与 此结果相似，该距离值为4 0 r a m 时，其结果也不理想。 天津大学硕士学位论文第四章L E D 路灯光源系统的仿真设计及光强分析 图4 - 2 0圈4 2 l 根据第四章的推导采用两个菲涅尔透镜可以提高对光能的利用，同时还可 以使散射作用得到增强。由于透镜距离灯具6 0 m m 远时效果较好，所以图4 2 2 和图4 2 3 为采用两个菲涅尔透镜，透镜距离灯具6 0 m m 的结果。这种情况是在 菲涅尔透镜的齿和齿相对接放置方式下得到的这样虽然需要一定的对准精确 度但是一次性对准粘合后，便无须再做改动，而且这样可以防止粉尘的进入 增加光学元件的强度，保证透镜不会受压变形、不会受粉尘影响而改变其光学特 性。对比图4 1 9 和图4 2 3 可以发现两个菲涅尔透镜的使用并没有达到预期 的效果，对于Y 轴上8 m 1 9 m 的范围内，光强分布没有多大改变，却反而减小 了光斑中心的照度中心亮斑的均匀性也变差。综上所述，菲涅尔透镜也没有起 到很好的作用，对光线的偏折作用很小。 图4 2 3 一熔兰 一瓜i一区兰 天津大学硕士学位论文第四章L E D 路灯光源系统的仿真设计及光强分析 下面分析一下原因。线聚焦菲涅尔透镜由微型槽构成，可以将其看做由系 列的三角棱镜组成，与柱面镜类似，菲涅尔透镜中心部分的嘧率半径大，相当于 该部分三角棱镜的顶角较小，这样菲涅尔透镜中部对于光线的偏折作用较小，而 光源发出的光线大部分都集中在菲涅尔透镜的中间部分透射，因此灯具的光学特 性并没有得到很好改善。 根据以上的理论分析，需要对菲涅尔透镜进行一定的结构上的改变，从而使 得透镜中问部分能对光线进行很好调整，同时还要考虑到加工上的可行性。 4 4 具有菲涅尔透镜微结构特性的散射元件 4 4 1 概述 以上几节里，分别对棱镜、柱面镜及其阵列，菲涅尔透镜进行了探讨，并分 析了这些元件不能改善光强分布的原因。这一节里，要提出一种薪的散射元件， 这种散射元件具有和类似的线聚焦菲涅尔透镜的微槽形的结构，但是与菲涅尔透 镜不同的是，该散射元件的每个牙倾角大小相同，仅仅是方向不同，目的是为了 使光束分别向两个相反的方向发散。这样的结构不仅可以对集中在中心处的大量 光线进行偏折，而且由于刀的夹角和进刀的角度不用改变，加工起来比加工线聚 焦菲涅尔透镜省时省力。根据前面的论述，牙的倾角越大，对于光线的偏折作用 也应该越大，应该尽量选取较大的倾角。 4 4 2 采用一片散射元件 在L E D 阵列照明光源的正前方，放置上述的具有菲涅尔透镜微结构特性的 散射元件。在L i g h t T o o l s 中，分别绘制出微型牙结构的倾角为3 0 度、4 5 度、6 3 度的散射元件，并模拟每种情况的光强分布，通过对比发现倾角越大，元件对光 束的改变越大，由于倾角分别倾向两个方向，中心的亮斑被分为两个，出现两个 照度峰值，牙结构的倾角越大，亮斑的分离越分明。但是若倾角太大，在加工时， 刀尖会由于太细而崩刃。因此，牙的倾角最大不宜超过4 5 度。所以，下面只讨 论牙结构倾角为4 5 度的散射元件的性能。 图4 2 4 为采用4 5 度倾角的散射元件的照明系统示意图。该散射元件的基 底2 m m ，元件距离光源所在平面6 0 m m 。该元件关于图中Y Z 平面对称，图4 2 5 为该元件牙结构的放大图，该结构是理想情况，牙尖角为设为4 5 度，该尖角 的一边与元件底面平面有4 5 度夹角，另一边与底面垂直。Y 轴左( 右) 边的结 构使光线向左( 右) 边发生偏折，这样可以使得光线分别向两个相反的方向偏折。 天津大学硕士学位论文 第四章L E D 路灯光源系统的仿真设计及光强分析 由图4 2 6 X 轴上的最小照度为35 8 1 x 。与图4 3 相比较，x 轴上的边缘照度 提高了大约l k 。除此之外，图4 2 6 所示x 轴上中心亮斑内曲线变化较为缓 慢，说明在此区域内( 4 m 范围) 的照度均匀性有所改善，同时，8 m 1 9 m 范 围内的照度曲线与图4 - - 3 相比也较为平缓。根据L i 曲t T o o l s 软件的计算结果， 采用该散射元件后，在路面上3 8 r e x1 l m 范囝内总照度均匀度为3 31 8 ，而图 4 - - 3 所示的照度分布，其总均匀度仅为1 89 3 可见该元件使得光源的出射光 强分布有了很大的改善。同时，根据图4 2 6 ，该元件并没有造成过多的光能损 失，其照度峰值在2 4 1 x 左右与图4 - - 3 相比，并没有降低。因此，该散射元件 对于改善道路光强分布起到了积极作用。下面来验证一下，现在的设置是否为较 佳的设置，改变元件到光源平面的距离和基底厚度，看这些设置对于光强分布的 影响。 图4 2 5 图4 - 2 6 为了知道元件与光源平面的距离对路面照度分布的影响，改变距离值井进行 多次模拟，由于元件与光源的距离不亦过大，暂且不考虑该值大于6 0 m m 的情况。 这里不再罗列模拟结果。进行多次模拟后的结果表明距离越大，道路的照度均匀 | ，= | | 天津大学硕士学位论文第四章L E D 路灯光源系统的仿真设计及光强分析 度越好。图4 - - 2 8 、4 - - 2 9 所示为元件距光源2 5 r a m 的情况，此时X 轴上的最小 照度为32 i x ，总照度均匀度为2 9 4 1 。显然，元件距光源2 5 r a m 时，其光强分 布情况没有距灯6 0 m m 时好。 F 面来分析一r 原因。敝射元什距离光源平面越远，从元作透射过去的光束 就越少，特别是大角度入射到元件光束的减少。当光线大角度入射时通过元什 后的出射光线可能不按照设计的方向发生偏折，而投射 相反方向上的路面上 去。因此，在6 0 m m 的范围内，元件与光源下而的距离越远，路面上的照度均匀 性越好。 翻4 2 8 附4 2 9 再来考虑一下散射元件的基底厚度对路而照度分布的影响。把基底的厚度分 别设为3 m m 、4 m m 、5 m m 和6 m m ，然后进行模拟和对比，结果表明基底越厚 路面的照度均匀性越差。图4 - - 3 0 、4 3 l 为元件的基底厚度为4 m m ，距光源平 面2 5 m m 情况F 得到的结果。与上两个图相比，可I 三【看出t 基底为4 m m 时，路 面的照度均匀性变得更差。x 轴上的边缘照度值降低至2 I x 以下。在一9 m + 9 m 的范围内，X 轴上的照度均匀度甚至不如Y 轴上的照度均匀度。对比图4 - - 3 和 下面两个哪，发现此时的照度均匀度不仅没有得到改善，反而有所恶化，曲线的 变化更为突然，其倾斜度更大。l 列时，对比固4 - 2 8 ，该4 m m 厚的散射元什造 成了更多光能的损失。所以拟定选用基底为2 m m 的敞射元什做为实验用的材 料，以r 我们将对该元什进行更进步的研究和讨论。 天津大学硕士学位论文第四章L E D 略灯光源系统的仿真设计厦光强分析 圈4 3 2 将这样的散射元件放置在光源的正前方6 0 m m 处由圈4 3 2 可以看出，中 天津大学硕士学位论文第匿章L E D 路灯光源系统的仿真设计厦光强分析 心的亮斑在x 轴方向被拉长原本一个中心亮斑被分成两个亮斑该