（计算机科学与技术专业论文）面向照明效果的led光源设计仿真研究.pdf

摘要 照明，特别是道路照明已经成为现代城市建设的重要内容，受到广泛的关注， 与之对应的照明设计、灯具设计的计算机仿真研究也成为设计师与计算机专业人 员共同关注的研究课题。 本文在对基于物理特征的光源设计计算机仿真及基于灯具库的照明设计计 算机仿真系统进行分析研究的基础上，结合使用者的应用需求，提出了面向光照 效果的光源设计的概念和系统实现框架。 本文结合光源设计和照明设计的基础，对面向照明效果的光源设计的特点进 行了介绍。结合图形学及软件开发的一般原理，研究了l e d 道路照明仿真系统 的基本功能以及软件实现过程中的关键技术。本文以l e d 光源作为研究对象， 研究了包括单个l e d 照明、多个l e d 照明以及l e d 矩阵阵列照明的特点和规 律，对其照明效果进行了仿真与分析；在此基础上，对根据光照效果要求设计正 方形和矩形l e d 阵列光源的方法进行了深入的探索与研究，总结出了相应的规 律，给出了设计方法与设计结果。最后，对本文所给出的设计结果的照明效果与 初始要求进行了分析对比，显示所得结果满足光照要求，验证了本文提出的面向 光照效果的光源设计方法正确性。 关键词：l e d ，照明设计，光源设计，仿真 a b s t r a c t i l l u m i n a t i o n ，e s p e c i a , l l ym a di l l u m i n a t i o n , h a sb e c o m e a ni m p o r t a n tp a r ti n m o d e r nc i t vb u i l d i n gw i t hw i d ea t t e n t i o n a c c o r d i n g l y ，t h es t u d yo fs i m u l a t i o no f i l l u m i n a t i o nd e s i g na n dl a m p sd e s i g nh a sb e c o m ear e s e a r c hw i t hc o m m o n c o n c e r nb y t h ed e s i g n e r sa n dt h ec o m p u t frp r o f e s s i o n a l s t h ep a p e ra d v a n c e st h ed e s i g np r i n c i p l e a n dt h ef i a m e w o r ko fs y s t e m i m p l e m e n t a t i o no ft h ee f f e c t - o r i e n t e dl i g h t s o u r c e ，w h i c hc o n c e r n st h e u s e r s r e q u i r e m e n t s o nt h eo t h e rh a n d ，t h ep r m c i p a n dt h ef r a m e w o r k a r eb a s e do nt h e a n a l y s i sa n dr e s e a r c h o ft h e d e s i g na n dc o m p u t e r s i m u l a t i o no ft h ep h y s i c a l f e a t u r e b a s e dl i g h ts o u i c ea n dt h el a m ps t o r a g e b a s e di l l u m i n a t i o n t h ec h a m c t e r i s t i c so ft h e l i g h t s o t l r c ed e s i g nw h i c hi se f f e c t s o r i e n t e d i s i n 仃0 d u c e d 。b a s e do nt h el i g h ts o u r c ed e s i g na n di l l u m i n a t i n gd e s i g n c o m b i n i n g g r a p h i c sa n dt h eg e n e r a lp r i n c i p l e si ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t , t h ea u t h o rs t u d i e st h e b a s i c 如n c t i o n so fl e dr o a d i l l u m i n a t i n gs i m u l a t i o ns y s t e m a n dt h ec r i t i c a l t e c h n o l o g i e si nt h ei m p l e m e n t a t i o np r o c e s so ft h es o f t w a r e t h i sp a p e rr m k e st h e l e dl i g h ts o u r c ea st h eo b j e c to fr e s e r c h , s t u d i e st h es i n g l el e di l l u m i n a t i o n , m u k i p l el e di l l u m i n a t i o n , a n dt h ef e a t u r e sa n dr u l e so f t h el e d m a t r i xi l l u m i n a t i o n , b e s i d e s s i m u l a t e sa n da n a l i z e st h ei l l u m i n a t i o ne f f e c t s o nt h eb a s i s ，t h e a u t h o r d e s i g n st h em e t h o do f s q u a r ea n dr e c t a n g l el e d m a t r i xi l l u m i n a t i o na c c o r d i n gt ot h e l i g h t i n ge f f e c t s ，s u m m a r i z e st h ec o r r e s p o n d i n gr u l e s ，f i n a l l yg i v e st h ed e s i g nm e t h o d a n dt h er e s u l t a tl a s t , t h ed e s i g nr e s u l ta n dt h el i g h te f f e c t sa l lc o m p a r e dw i t ht h e i n i t i a ld e m a n d s ，w h i c hp r o v et h er e s u l ts a t i s f i e dt h el i g h t sr e q u i r e m e n t , a n dv a l i d a t e m ec o r r e c t n e s so f t h ee f f e ：c t - o r i e n t e dl i g h t i n gs o u r c ed e s i g n k e yw o r d s ：l e d ，i l l u m i n a t i n gd e s i g n ，l i g h ts o u r c ed e s i g n ，s i m u l a t i o n 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，也不包含为获得苤鲞盘堂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：耿昵堑 签字日期： 州 年f 月如日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤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：鳅晚盎 签字日期： 埘年，月p l e t 导师签名： 可毳聂缸 签字日期：么一年月翔日 j 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 人类在漫长的进化发展岁月中，都是借助于火把、蜡烛、煤油灯等各种简易 的火光来照明。直至1 8 世纪，随着人们电学知识的增多，人类才得以实现将电 能转化成光能，从而使得大面积的照明成为可能，这使人类的发展历史又向前 迈进了一大步。 随着社会各方面的发展，入们在夜晚出行的需要也逐渐增多，为了保证道路 及其附近区域具有良好的可见度，使得车辆以及行人的安全得以保证，人们开始 意识到将各种光源用于道路照明。这项重大的改进给人们晚上的出行带来了极大 的方便，也大大推动了一系列相关产业的发展。道路照明的发展至今已经有二百 多年的历史。人们根据自己需要的光照和功率，选择一定的发光材料，进行光源 设计。设计出的光源已经从最初的白炽灯、卤钨灯，发展到现在的荧光灯，高压 汞灯、金属卤化物灯等，而高压钠灯、激光灯的出现更是大大丰富和方便了人们 的日常生活【1 1 。总之，伴随着社会日新月异的发展，用于道路照明的电光源也可 谓是不断的推陈出新，其样式和布置也根据人们的需要而进行丰富多样的设计， 从而为照明设计的出现提供了舞台。照明设计是为了达到人们所需要的照明效 果，设计者选择已有的光源，进行灯具的布置，从而更好地满足人们的实际需求 f 2 】【3 j 。依据照明效果不同，选择的光源亦有可能不同。在照明的亮度要求不是很 高的情况下，可以选择白炽灯等发光强度比较低的光源；如果对照明的亮度要求 很高时，可以选择高压钠灯，激光灯等发光强度较高的光源。 光源设计是选择一定的发光材料和结构，根据这些材料的发光原理设计出满 足一定规格的光源。如用于普通照明的荧光灯，经过光源设计出来的荧光灯无论 在额定的功率、光通量的额定值以及发光强度等方面在规格一定的情况下都是固 定的。 照明设计是设计者根据经验从已有的灯具库中选择一定规格的光源，然后进 行光源的布置，通过计算判断能否达到实际的需求，若不能达到实际的需求，则 需要重新进行设计。照明设计中设计者只能选择一定规格的光源来进行设计，如 果设计出的光源不能够达到用户的照明需求，则需要重新选择光源进行设计。当 灯具库中没有合适的满足用户照明需求的光源时，设计者则只能设计出比用户照 明需求功率大的光源满足用户的需求，造成资源的浪费。 第一章绪论 光源与照明设计过程中有大量的计算过程，依靠人工进行计算不仅计算工作 量大，而且计算的结果也不准确。随着计算机科学技术一日千里的发展，现代的 照明技术不仅仅与光学不可分割，而且对计算机技术的依赖也与日俱增【4 1 。目前 光源与照明的设计过程都渐渐趋向于借助计算机来进行辅助设计【5 1 1 6 1 1 7 1 ，通过计 算机模拟或者仿真绘制配光曲线和照明效果图，以达到更加准确的设计。 本文将选择一定材质和结构而进行的光源设计称为面向物理特性的光源设 计，将依据灯具库选择光源而进行的照明设计称为基于灯具库的照明设计。 针对基于灯具库的照明设计仿真系统中设计者只能选择灯具库中一定规格 的光源进行设计而受到光源产品局限的问题，本文提出了根据用户照明需求运用 l e d 光源进行阵列组合进行光源设计，在满足用户需求的同时为灯具厂家提供 产品生产的指导，从而使供、需紧密结合，提高设计及生产效率。这种设计方法 称之为面向照明效果的光源设计方法。 发光二极管( l e d ) 光源由于直径比较小，发出来的光相对于所照物体可以 近似为点光源，并且l e d 光源可以进行组合，组合出来的l e d 光源阵列照到物 体上的照度可以根据l e d 光源排列的不同而不同，这样就可以选取l e d 光源进 行组合，根据用户需要照明效果的不同而设计l e d 光源排列顺序的不同，从而 达到光源设计的1 1 的。 另一方面，随着发光二极管( l e d ) 技术的快速发展，l e d 在照明领域的应 用日益得到半导体界和照明界的广泛关注。l e d 凭借其长寿命、高节能、环保 和便于扩展等一系列杰出的性能得到了社会越来越多的重视【8 】。现在，美国、欧 盟、日本等一些发达国家已经先后制定了相关的研究与发展计划，以期望在这个 领域能有新的突破。我国也在2 0 0 3 年6 月启动了“半导体照明工程，并提出 了在2 0 0 7 年使l e d 进入普通照明市场、到2 0 1 2 年则将l e d 作为主要光源的计 划。l e d 照明已经被公认是2 l 世纪照明领域的一场革命。l e d 作为一种新型的 光源，在人类发展中发挥着越来越重要的作用【5 】。 幽ii l e d 应川j 。道路照明 鉴于l e d 可以进行排列组合而进行光源设计以及，阔的发展前景及其与 传统光源相比所显示出来的目丈优势j ； jl e d 设计光源进行道路麒明意义也就 显得尤为重大儿心。幽i - l 就给出r 一个l e d 应用于路灯照明的场景以及 蜘且。 综合以上岗桊作者以l e d 作为基本发光单元进行研究，设计用于路灯照 叫的光源。通过对l e d 道路照h j j 进 r 仿托研究l e d 道路照明的效_ ! 以及l e d 阵列发光的一些特性井埘光源设计得h 的l e d 光源阵列进行照明仿真。 1 2 课题研究的国内外现状 国外在光源设计以殷照明仿真计算方面的研究丌展得比较早现在的技术都 已经达到了较成熟的水、f 。日前国外的光源设计仿真软件主要作j f j 就是构造i 维 场景，设置光源的材质和结构进 i 仿真讨算输 | 所醢计光源的数值特性以及配 光曲线、等j ! ( i 度曲线等一些相关数掘。照明设计仿真软件则是选择定的灯具库 进行灯具的布置，模拟照明的教粜削断设计效果是甭达到削j 】的需求。 光源设计仿真软件比较有代表性f f j 是i n s h a p e 光源设计软件由德l 卅f k l 】a 公司软件开发t 程师提f i ；| ”j 。这址个功能比较强大的光源设计软r ：不仅i f 以 在给定的情况下通过软件计赏_ 光源的儿何体( s h a p e ) ，还可以通过光线追踪模 拟柬给出所设讣光源的功能。它的t 具箱包含了各种需要的曲面、材质以及探测 器，可以通过近似洼或者插值法7 l 成曲线或者曲面从而进行光源的设。拥有 第帝绪论 堂百式丌发纠、境也世该软什具订独特性能g - 缸责所什的设任务以及分析儿何 体的显示，井j 土给出最终的横拟结粜，图i - 2 缭出k i d s 嘶e 光源醍计的界_ 血( 。 闸内柏t 在光源设汁方面同样有批优秀的软件，如s o d 8 8 该软件乜舍r 光 源材质的选择反射器的变换以及照明效果的输出等功能在国内市场应_ l i 】比较 普遍。 r e j j e = = ! = ，j ! ! ，。 d - 一- 一 图1 - 2 t u c k s h a p ej 匕源设计界面 国外的照明仿真软件主要代表是德国d i a 公司的产品d i a l u x 。h 前， d i a l u x 在欧洲已经处于照明仿真计算软件的领导地位，井得到厂p h l l i p s 等灯 具厂商的认可和支持，该软件带有这些，家生产的灯具库，缚个灿具档案内包含 有该灯具的配光曲线、灯具的数据、图彤资料，真实显现灯具在空间中的数据值 及照度等资料，该软件主要适用于室内和室外的照明仿真和计算并且能够为工 程单位的施t 提供完整的数据报表和施j ：图【l 。与国外的研究水平比较国内厂 商和科研机构仍然存在一定的差距，但目前也取得了很大的进步。国内类似，- ，= 品 有广州大恒惠州雷士照明合作开发的一套软件，该软件基本功能与 d i a l u x 类似，具有照明计算和分析以及等照度曲线h 绘制等功能。 从上面的介绍可以看出，目前的光源设计软件土要是面向物理特性的光源设 计，模拟光源的材质以及结构来绘制光源的配光曲线从而醺计光源。照明发汁软 件书要是面向灯具库的照明设计。研究通过汁算机程序进行l e d 阵列的排列而 设计出满足用户需要的光源，返既打破了传统的照明设计只能通过厂家提供的灯 具束进行设计的限制，也为光源设计提供了新的思路。 第一章绪论 1 3 计算机图形绘制工具的现状 计算机图形学是随着计算机及其外围设备而产生和发展起来的。它是近代计 算机科学与雷达、电视及图像处理技术等的发展融合而产生的结晶。图形绘制的 仿真系统发展方向主要有两个，一是实时性仿真系统，二是非实时性的仿真系统。 实时性的仿真系统主要有o p e n g l 和d i r e c t x 1 7 j 。o p e n g l 的前身是s g i 的 i r i sg l 。它最初是个2 d 图形函数库，后来逐渐演化为由这家公司i r i s 图形工 作站所使用的3 d 编程a p i 。o p e n g l 因为其开放性和可移植性以及代码的复用， 己经得到了广泛的承认和接受，成为实时3 d 图形行业标准a p i 。它可以用在 w i n d o w s 、l i n u x 以及m a c o sx 上进行图形的开发。o p e n g l 的主要功能包括几 何建模、坐标变换、颜色材料和光照模式、纹理贴图以及交互式图形的设计等【1 8 1 。 m i c r o s o f t 公司的d i r e x t 3 d 主要用在w i n d o w s 平台的三维图形库中。d i r e c t x 现 在包含了一个体系完整的a p i ，其目标就是对w i n d o w s 平台的多媒体开发人员 提供理论和技术上的支持。 非实时系统的研究主要侧重于现实世界的模拟和分析，其目的是为了获得一 个较高的真实度。目前比较常用的算法主要是线消隐、面消隐、光照模型、光线 跟踪以及表面图案及纹理、颜色空间等9 j 。尤其是根据热能工程而发展起来的辐 射度算法【1 6 】，使得计算机对于光强分布的模拟有了很高的仿真度。 本文选择结合非实时性系统一些算法进行实时性仿真系统的设计，以达到一 个令人满意的仿真效果并对过程进行控制。 1 4 本文研究的课题和主要工作 1 4 1 本文研究的课题：面向照明效果的l e d 光源设计仿真研究 本文针对客户提供的照明效果运用l e d 光源阵列进行光源设计，通过l e d 道路照明仿真研究l e d 阵列的发光特性，并对设计的光源进行照明仿真。 1 4 2 主要研究工作 作者在读研究生期间与课题组人员进行了大量的图形图像方面的研究，并结 合路灯照明的实际，参与了面向照明效果的l e d 光源设计的研究工作。本文中 主要包括以下几个方面的内容： 1 介绍了光源设计和照明设计的基础，分析了照明质量的评价因素，阐述了 面向照明效果的l e d 光源设计的特点。 第一章绪论 2 系统地阐述了l e d 的发光原理和特点，详细地比较了l e d 光源和传统光 源的区别，深入地分析了l e d 在照明领域的发展趋势。 3 系统介绍了道路照明仿真具有的功能，研究了在道路照明仿真中使得照明 仿真效果更加真实的方法，并通过仿真效果与理论效果的对比阐述了l e d 的发 光特性。 4 研究了面向照明效果的l e d 光源设计的实现方法，阐述了利用l e d 阵列 发光规律来实现光源设计的方法，并对设计结果进行了检验。 第二章光源设计与照明设计的基础 第二章光源设计与照明设计的基础 2 1 光源设计的基础 2 1 1 光源的定义 光源是指由能量的转换而能发光的表面或物体四】。光源分为电光源和自然光 源。电光源即热辐射光源或气体放电光源，它是把电能转换成光能的器件【2 1 1 。白 炽灯就是常见的热辐射光源；高压汞灯是常见的气体放电光源；l e d 则属于特 种光源，它是场致发光光源。自然光即自然界发出的光源，如太阳光，闪电等。 2 1 2 光学和光度学的基础 2 121 光和光谱 光是能引起视觉的辐射能，它以电磁波的形式在空间传播，人眼所感觉到的 仅是电磁波中很小的一部分，称为可见光。可见光的波长一般在3 7 0 - - - 7 8 0 n m 范 围内。可见光又可分为红( 7 8 0 - - - 6 3 0 n m ) 、橙( 6 3 0 - - - - 6 0 0 n m ) 、黄( 6 0 0 - - , 5 7 0 n m ) 、 绿( 5 7 0 - - - - 4 9 0 n m ) 、青( 4 9 0 - - 1 5 0 n m ) 、蓝( 4 5 0 - - - 4 3 0 n m ) 和紫( 4 3 0 - - - 3 7 0 n m ) 七种单色光( 由单一波长组成的光) 2 h 。严格说单色光几乎是不存在的，激光可 以说是最接近于单色光的光源。 人眼对各种波长的可见光具有不同的敏感性，实践证明，正常人眼对于波长 为5 5 5 n m 的黄绿光最敏感，也就是这种波长的辐射能最能引起人眼的最大的视 觉，而偏离5 5 5 n m 的辐射，可见度越小。 2 122 光度量 1 光通量 光通量是光源在单位时间内发出的光的总量。它表示光源的辐射能量引发人 眼产生的视觉强度瞄】。 根据辐射对标准光度观察者的作用导出的光度量，对于明视觉有 = r1 d o e r ( 2 ) 宰y ( 五) 奉以b 以 、7( 2 1 ) 第二章光源设计与照明设计的基础 式中d 魄( 五) 钡辐射通量的光谱分布： y ( 名) 光谱光( 视) 效率： k m 辐射的光谱( 视) 效能的最大值，单位为流明瓦( 1 m w ) ， 在单色辐射时，明视觉条件下的k m 值为6 8 3 l m w 。 光通量的物理符号为，单位为( 1 m ) ，1l m = l c d 木s r 。 在国际单位制和我国规定的计量单位中，流明是一个导出单位。1l m 是发光 强度1 c d 的均匀点光源在1 s r 立体角内发出的光通量。 2 发光强度 发光体在给定方向上的发光强度是该发光体在该方向上的立体角元d q 内传 输的光通量d 除以该立体角之商。即单位立体角的光通量，其表达式是： i = 抛施 ( 2 2 ) 发光强度的符号为i ，其单位名称是坎德拉，单位符号为c d 。坎德拉在过去 称为国际烛光，简称烛光。 发光强度是表征光源发光能力大小的物理量，亦即是表示光源向空间某一方 向辐射的光通密度。在数量上l 坎德拉等于l 流明每球面度。 如果在有限立体角q 内传输的光通量是均匀分布的，式2 2 可写成： i = q 。式中q 为立体角。以任一锥体顶点o 为球心，任意长度r 为半径作 一球面，被锥体截取的一部分球面面积为s ，则此锥体限定的立体角q 为： q = s r 2 ( 2 3 ) 立体角的单位是球面度( 符号为s r ) 。当s - - r 2 时，q = l s r 。因为球表面积为 4 h r 2 ，所以立体角的最大数值为4 1 - 1 球面度。 坎德拉是我国法定单位制与国际单位制的基本单位之一，其他光度量单位都 是由坎德拉导出的。 3 发光效率 发光效率是照明工程中常用的概念。不同的电光源消耗相同的电能，其辐射 出的光通量也并不相同，即不同的电光源具有不同的光电转换效率。电光源所发 出的光通量与其消耗的电功率p 的比值称为该点光源的发光效率。由定义可 以得出发光效率公式为： 砑= p 、 ( 2 4 ) 第一市光源设计b 照明设计的蕞础 发光效率目的单位是流明瓦( i n 州) 。 4 配光曲线 对十各向异性的光源，其发光强度随方向的改变撕政变。在灯具设汁j 为了 形象化通常对这样的光源用曲线来表示它在不同，j 向l 的发光强度。若自原点 向各径向墩欠量，父量的长度与该方向的发光强度成正比，将各矢量的端点连起 来，就得到了光源的发光强度髓方向改变的所谓发光强度曲线，即配光曲线。图 2 一i 描述了我们最为常见的极坐标配光曲线图。 o 仲 甜 图2 - 】配光曲线圈 5 照度 表面t 一点的照度用e 表示，它是指射入在包含该点的面兀上的光通量肿 除以该面元面秘删所得之商，即： e = 简言之，照度是表示受照物体表面每单位面积上接收到的光通量，如果受照 表面均匀受光，即受照表面上的照度处处相等，则受照表面所接受的光通量为 b = 中，a 。 照度的物理量符号是e ，单位是勒克斯其符号为i x 。l i x 等于1 i m 的光通 龌均匀分布在lm 表面上所产生的照度，即1 x - ii r a m 。 6 亮度 光源或受照物体反射的光线进入服睛，在视网膜上成像，使人们能够识别物 体的形状和明暗。视觉上的明暗知觉取决于进入眼睛的光通量在视网膜物向上的 密度物象的照度。 第_ 章光源设计与照明设计的基础 这说明，确定物体的明暗要考虑两个因素：物体( 光源或受照体) 在指定方 向上的投影面积这决定于物象的大小；物体在该方向上的发光强度这决 定物象上的光通量密度。根据这两个条件，可以建立一个新的光度量亮度。 亮度是由式a m ( d a 木c o s s * 地1 定义的量，即单位投影面积上的光强，其表 达式为： l a 如( a a 枣c o s 8 木菇 ( 2 6 ) 式中揶由给定点的束元传输的并包含给定方向的立体角d r 2 内传播的 光通量； 剃包括给定点的辐射束截面积； 秒辐射束截面积与射束方向间的夹角。 亮度的物理符号为l ，单位名称为坎 德拉 每平方米，符号为c d m 2 。 也就是说，光源的亮度是指光源表面延法线方向上每单位面积的光强。在亮 度均匀的条件下，亮度可用下式表示： l = i a ( 2 7 ) 需要注意的是，因为亮度在各方向不同，所以在谈到一点或一个有限表面的 亮度时需要指明方向。 2 1 3l e d 光源概述 2 1 3 1l e d 的历史和现状 在市场需求与技术进步的推动下，l e d 经历了一段辉煌的历史。第一批产品 出现于1 9 6 8 年，m o n s a n t o 公司将其作为指示灯泡，h e w l e t t - p a c k a s d 公司则首次 用于电子显示设备。早期产品是g a a s p l e d ，工作电流2 0 m a ，光通量只有千分 之几流明，相应的发光效率为0 11 l m w ，而且只有一种光色一5 0 n m 的红色 光。2 0 世纪7 0 年代上半期，技术进步很快，发光效率达到1l n l w ，颜色也扩大 到红色至绿、黄颜色。到了8 0 年代g a a i a s l e d 的红光效率提高到1 0 1 m w 。 2 0 世纪9 0 年代初，两种新型材料迅速发展起来，发红光、黄光的g a a i i p 和发绿光、蓝光的g a l n n 。由于采用这两种材料，l e d 的发光效率在2 0 0 0 年达 到1 0 0 1 m w ( 6 1 5 n m 的橙红色光) 和5 0 1 m w ( 5 3 0 n m 的绿色光) 。8 0 年代中期 第二章光源设计与照明设计的基础 大功率l e d 首次用于汽车后部的高位刹车灯，9 0 年代大功率l e d 的工作电流 达到5 0 7 0 m a 。 1 9 9 5 年，日本日亚化学工业公司成功开发出蓝光l e d 后，世界上结束了没 有原色蓝光的历史，在全球掀起了g a n 研究开发应用热潮。蓝光l e d 开发的成 功，一方面解决了三基色缺色问题，别一方面使半导体白光照明成为可能。 2 0 世纪9 0 年代中期，世界三大照明公司( g e 、p h i l i p s 、o s r a m ) 着手研 究将l e d 用于照明，l e d 照明受到照明界越来越多的关注。 上世纪9 0 年代末至本世纪初的几年时间，l e d 照明在全球掀起了一股热潮， 美国、日本、欧盟、南韩均提出相应的研究开发计划。 目前，全世界有近2 0 0 家公司、3 0 0 所大学和科研机构从事氮化镓基蓝绿l e d 的材料生长、器件工艺和相关设备制造的研究和开发工作。其中处于世界领先水 平的主要有：日本的n i c h i a ；美国的l u m i l e d s 、g r e e ；德国的o s r a m 等。这些 公司拥有原创性的专利，领导l e d 技术发展潮流并占有主流市场1 2 引。 我国l e d 起步于2 0 世纪7 0 年代，9 0 年代形成产业，目前己具有相当规模。 9 0 年代后期，高亮度l e d 发展迅速，经历了进口器件销售，进口芯片封装( 1 9 9 8 年前1 0 0 进口) ，进口外延片制芯片、封装，自主生产四个阶段1 2 4 j ，现已具有 g a a s 和g a p 单晶、外延片、芯片的生产能力。近两年国内企业引进m o c v d 设 备己达2 0 台套。 l e d 作为新一代固态照明( s o l i ds t a t el i g h t i n g ) 光源从2 0 世纪9 0 年代中期 开始就为照明界人士所关注，在最近几届国际电光源研讨会( l i g h t i n gs o u r c e ) 上，l e d 照明均为主要议题之一。 2 1 3 2l e d 的工作原理 高纯半导体材料电阻率很高，如果在其中故意进行掺杂，就能改变其导电性 质。例如，在族元素硅中掺杂v 族元素( 如砷) ，就能形成导电中带有电子 的n 型材料。在硅中参入i i i 族元素( 如镓) ，就能形成带有空穴的p 型材料。 若在硅晶体中一半掺杂砷，另一半掺杂镓，则在两半之间的边界上形成一个p n 结，跨过此p n 结，电子从n 型材料扩散到p 区，而空穴则从p 型材料扩散到n 区。作为这一相互扩散的结果，在p n 结形成了一个高度为e a v 的势垒，阻止 电子和空穴的进一步扩散，达到平衡状态l 2 5 】。 当外加一足够高的直流电压v ，且p 型材料接正极，n 型材料接负极时，电 子和空穴将克服在p n 结处的势垒，分别流向p 区和n 区。在p n 结处，电子与 空穴相遇、复合，产生光。光子的能量由带间隙决定。 l e d 就是利用以上原理制成的，其结构图如图2 2 所示。 第二章光源设计与照明设汁的肚础 图22l f 9 的结构罔 在管座l 安装p n 结芯片，接上引线，l e d 被封装在环氧树脂帽巾。该环氧 树脂帽一方面可以保护器件，另一方面可以起到透镜的作用，能决定光束角的 大小。 2 i j jl e d 与传统光源相比的优点 l 低耗电量。这是l e d 最主要的优点之。l e d 是低电压器件，驱动单 颗l e d 的电压仅需2 5 35 v ，驱动电流为几十毫安，而白光l e d 的光效在2 0 0 5 年已经达到5 0 l m w ，超过了普通的白炽灯。这是传统光源所无法相比的。随着 关键技术的突破白光l e d 的光效不久将会大大超过现在所有照明光源的光效， 因撕有若诱人的应_ h j 前景【矧口1 。 2 寿命长。l e d 的使用寿命可以达到1 0 0 0 0 0 h ，传统的光源在这方面光法 之相比。因此。在一些维护和换灯的场合，使用l e d 作为光源，r t 人人降低人 工的费用。 3 启动时间短。l e d 的响应时问只有几十纳秒，因此在世需要快速响应 或高速运动的场合，应用l e d 作为光源是很合适的。 4 结构牢固。l e d 是用环氧树脂封装的采用半导体发光的固体光源是一 种实心的全崩体结构，因此能经受麓动、冲击而不受损坏，适用于使用条件较为 苛刻的恶劣的场合。 5 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 基奉上可以把它看作“点”光源这样能给灯具设计带来方便。 6c 以做成薄型灯具。l e d 发光的方向性很强很多情况下只需用透镜将其 发山的光进行准直、偏折，而不需要使用反射器：可以做成薄型、美观的灯具。 综上所述，l e d 由于具备一系列优点，尤其是节能和k 寿命的特点，被人们 称作是继白炽灯，荧光灯和h i d ( 高压放电灯) 光源之后的第四代光源，在2 l 世纪的照明设备中将会发挥日益重要的作用。 国 ，| 一 一 第_ 章光源设计与照明设计的基础 2 1 3 4 白光l e d 的结构和工作原理 半导体p n 结的电致发光机理决定了l e d 不可能直接产生具有连续光谱的白 光【2 8 1 。因此，半导体光源要产生白光，还需要采用其他辅助方法，这也就随之增 加了制作的难度【2 9 1 。成本也相比其他的红、绿、蓝等彩色l e d 要高的多。 目前有三种工艺可以制作白光l e d ： 第一种是利用各种颜色光混合产生白光，其原理是以色度学中的三基色光为 基础，将三种分别为红、绿、蓝的l e d 放置的十分靠近，控制它们各自光输出 的比例，混合后得到白光。 第二种方法是在蓝光l e d 外面涂敷荧光粉。具体工艺是将发射主峰在4 5 0 4 7 0 n m 波长范围内的蓝光l e d 表明涂敷稀土石榴石荧光粉，该荧光粉在蓝光辐 照下会发射黄光，这样部分蓝光转变成黄光和剩余的蓝光混合后就能形成白光 l e d ，如图2 3 所示。 l e d 芯片 ( ；a m ) e ：1 e d 芯片绽菠觅 f ：y a t ；焚允粉友赣兜 哼l 线 一种白色l e d 的掌考构示絮鹧 图2 3白色l e d 的结构示意图 丫 ( ：笑光 鼍诤绥 金线 l e d ；巷片 第三种方法获得白光l e d 产品的方法，是用紫光或紫外光l e d 激发三基色 荧光粉或多种发光色荧光粉，从而得到白光。 2 1 4 光源设计的一般步骤 光源设计就是选择某种特定的发光材料和结构，根据这种材料发光的基本原 理而设计出满足一定功率以及光效等特点的光源 3 0 l 。 面向物理特性的光源设计有以下几个主要的步骤： 1 选择设计光源的发光材料和结构。如设计白炽灯时就是选择钨丝作为材 质来进行光源的设计，它的结构是由灯丝、支架、引线、泡壳和灯头几 部分组成。 2 根据材料的发光原理，设计满足照明需求的发光材质的形状、分量、直 径以及长度，并设计发光材质所处的环境，如真空的、充气的环境等。 盘 第二章光源设计与照明设计的基础 3 根据所设计的发光材质生产样品，检验产品是否满足要求，对于不符合 要求的则需要重新进行设计。 2 2 照明设计的基础 2 2 1 照明设计的目的 照明的目的是给环境中的各种对象以适宜的光分布，使人们通过视觉感受， 正确地识别所处的对象并了解所处的环境状态 2 0 】。根据照明的目的的不同，分为 明视照明和环境照明。 2 2 1 1 明视照明 以工作面上视看物为照明对象的照明技术称为明视照明，属照明生理学范 畴。例如工厂的车间、办公室、教室、商场营业厅的照明是以明视照明为主的。 本文所研究的道路照明也属于明视照明。 2 212 环境照明 以周围环境为照明对象，并以舒适感为主的照明称为环境照明，属照明心理 学范畴。例如剧场休息厅、门厅、宾馆客房的照明都属于环境照明。 2 2 2 照明设计的一般步骤 2 2 2 1 了解和收集相关的资料 为使所设计的照明能最大限度地满足使用要求，在设计前必须充分了解以下 资料： 1 明确照明设施的用途和照明要求。 2 收集建筑物平剖面布置及结构型式的资料，在充分研究分析这些材料的 基础上，进行灯具的选择、灯具布置及线路铺设等。 3 了解建筑物所处的环境条件，针对不同的环境条件，按照相应的规范要 求进行照明设计。 4 收集供电电源的资料，确定供电电源的方向及进线位置等。 第二章光源设计与照明设计的基础 2 2 2 2 与建筑设计师及其他公共设计者的综合协调 照明灯具的形式及布置方案尤其是环境照明设计必须与建筑协调。照明设计 者事先必须与建筑设计师充分协调，才能使照明设计更加合理。同时，还要避免 照明设施与其它公共设施相碰撞，这一点在公共场所显得尤为重要。 2 2 2 3 照明光照的设计 这是照明仿真系统设计的核心步骤，本文就是按照照明光照的设计方法进行 道路照明仿真的研究。 照明光照设计一般包含下列内容： 1 ) 确定照度。照明设计应根据国家照明标准，达到规定的照度。 2 ) 确定照明方式及照明种类。根据照明的功能及要求来确定合适的照明方 式，配置完善的照明种类。 3 ) 选择光源。根据使用场所对照度、光色、显色性、点灯特性的要求选择 合适的光源。 4 ) 选择灯具。按照照明方式、照明种类、光源种类、悬挂高度、照度要求 等要求选择合适的灯具。 5 ) 确定灯具布置方案。结合所需照明面的要求来决定灯具的布置，以及与 其它的公共设施的协调，并进行规则的布灯。 6 ) 计算照度。根据上述5 ) 所确定的灯具布置方案，按照照度计算的方法 计算照度。 7 ) 检验照明质量标准的各项指标。当上述灯具方案确定以后，需要对照度 水平、照度均匀度、亮度分布、眩光、阴影等照明质量进行检验。在需 要时进行对布灯方案的修改。 2 224 照明电气的设计以及照明施工图的绘制 当照明光照设计完毕以后，就可以开始着手进行电气的设计以及安装了。 2 2 3 照明质量的评价因素 2 2 3 1 合适的照度 照度是衡量物体明亮程度的间接指标。照度与视力、生产率、事故率均有密 切的关系。在一定范围内增加照度可以提高视力，提高劳动生产力、减少事故的 发生。但照度也并非越大越好，太亮了会对眼睛产生刺激。同时还需要考虑电能 第二章光源设计与照明设计的摹础 消耗和经费开支，这也是很有实际意义的。所以对于不同的工作场合，应该综合 考虑照度与视力、生产率、事故率的关系，协调得到一个合适的照度值。 2 2 3 2 照度的均匀度 在照明环境中看对象的分布位置是千差万别，难以预测。若一个工作环境中 有彼此照度极不相同的表面，将会导致工作者视觉不适，很容易产生视觉疲劳， 因此使照明环境中的照度均匀就成为一个必须解决的问题。虽然在一个工作环境 中的照度不可能完全相等，也无必要，但照度的变化也应该相对平缓，这就需要 规定一个最低的照度均匀度，以保护环境中人们的眼睛、避免环境中故障的发生。 照度均匀度一般分为某一个工作面的局部照度均匀度和一个工作室的一般照明 均匀度。 照度均匀度可用给定工作面上的最低照度与该工作面的平均照度之比来衡 量。这里的最低照度是指工作区域内某相关点上的最低照度。而平均照度是指整 个工作区的平均照度，对于室内边缘无工作对象的区域可以不计算在内。 道路照明的均匀度是一般照明的照度均匀度。 2 2 3 3 亮度分布 人眼观察物体时的明暗感觉不取决于物体的照度，而取决于物体在人眼视网 膜上成像的照度，即物体的亮度。被观察物体不仅需有一定的亮度，且被观察物 的亮度与背景亮度需有一定的差别才能看清物体。物体能被识别的最小亮度对比 值c 是背景亮度的函数，c 值可以表示如下： c = ( t b - l o ) l b( 2 8 ) 式中三6 背景亮度( c d m 2 ) ： l o 物体亮度( c d m ) ： 由这个函数可以知道，c 值随着背景亮度的提高逐渐下降。同时，看清物体 需要一定的时间，背景亮度越高，看清物体所需要的时间就会越短。 2 2 3 4 眩光的限韦0 在视野里面看见亮度过高的发光体或者视野中的光泽表面反射高亮度发光 体的光线所引起的视觉障碍称为眩光。眩光对视力危害很大，它可引起不舒适感、 视觉疲劳或者能见度降低，严重时甚至失去部分视功能或短暂致盲，影响工作， 第二章光源设计与照明设计的基础 还会造成事故【3 1 1 。长时间的轻微眩光也会使视功能逐渐降低，故在照明的设计和 灯具的布置时，要尽量避免产生眩光。 2 2 4 根据照明质量的评价因素确定的道路照明标准 照明设计中照明质量的评价标准作为本文在道路照明设计中的依据，根据这 些标准得出了公路路面的照明水平( 平均亮度和平均照度) 、照明均匀度、眩光 限制和照明诱导性的基本标准1 3 2 】。列表表示如下： 表2 一l 公路照明标准 道路类别 平均亮度平均照度亮度均匀值照度均匀值 ( c d m ) i xl m i n l ae m i n e a 快速公路 1 52 00 40 4 主干公路 1 o 1 5o 3 5 0 3 5 次干公路 o 580 3 50 3 5 支路 o 350 3 00 3 0 为了控制眩光，公路沿线禁止采用非截光型灯具。灯具的布置间距、安装高 度和路面有效宽度之间的关系可以用下表表示： 表2 2 公路灯具布置 布灯方式灯具安装高度h灯具间距s 单侧布置h w e s 3 h 双侧交错布置 h o 7 w e s 3 h 双侧对称布置 h 0 5 w es 3 h a ) 注：w r 路面有效宽度；h 灯具至路面的高度 为了防止眩光，路灯的设计一般都是灯具与水平面的夹角的小于1 5 度，灯 架探出路面的高度应该大于等于h 4 。 2 3 面向照明效果l e d 光源设计的特点 与面向物理特征的光源设计相比较，面向照明效果l e d 光源设计主要有以 下几点特点： 第二章光源设计与照明设计的基础 1 不需要进行发光材质的选择，只需要选择l e d 光源即可。这就大大简化 了光源设计选择材质的过程。 2 根据用户所需要的照明效果，进行l e d 阵列的组合设计，以得到满足用 户需求的光源。用户要求的照明效果不同，l e d 阵列组合的形状和间距 就不同，这样使得设计的过程变得易于操作。 3 由于是根据用户需要的照明效果来直接进行l e d 阵列组合设计，所以设 计出来的光源就是满足用户需求的，与传统的光源设计相比，所设计的 光源质量更高，更能满足用户需