直插式LED台灯阵列设计.doc

摘 要摘 要LED台灯和我们的日常生活的联系越来越紧密。众所周知，LED就一种半导体PN结发光源。精细的LED，必须有高性能灯的内部的结构技术。因此设计一个高亮度、大视角并且稳定、均匀出光的LED台灯是非常重要，LED作为新一代的绿色光源，具有传统光源无可比拟的优点，环保节能，在照明领域的应用将会更加普及，在环境保护和节约能源方面具有深远意义。对LED台灯做系统的结构分析，通过结构单元的设计，先把把台灯重要的组成部分确认尺寸和规格，采用模拟设计的方式建立模型。再通过TracePro软件进行常规光学分析、设计照明系统、分析辐射度和亮度，并结合真实固体模型对模型体进行仿真模拟和光学分析。查看照度图和坎德拉图得出灯珠的反光杯，在上下口径的尺寸相差量和大小要比较小。阵列的分布应该满足中心对称图形，使每一颗灯珠都相互的对应。透镜应该选择非球面透镜，球面透镜的效果一般。在发光源表面和模拟桌面的距离应该满足国家标准参数。关键字：LED台灯，直插式，Tracepro，透镜 IABSTRACTABSTRACTContact LED desk lamp and our daily life, more and more closely.It is well known that the LED is a semiconductor PN loving light source.Fine LED, must have a high performance structure technology inside the lamp.So to design a high brightness, big Angle and stability, uniform light LED desk lamp is very important, as a new generation of green LED light source, a traditional light source incomparable advantages, environmental protection and energy saving, application in the field of lighting will be more popular, has profound significance in environmental protection and energy saving.Structure of LED lamp do system analysis, through the design of the structural unit, the important component of the first to put the desk lamp to confirm size and specifications, with the method of simulation design model is established.Again through TracePro software for regular optical analysis, design, lighting system, analysis of radiant emittance and brightness, and combined with real solid model to simulate the model simulation and optical analysis.View the illuminance diagram and the candela figure of lamp bead reflection cup, in the dimensions of the upper and lower diameter difference quantity and size to be smaller.Array of distribution should meet center symmetric figure, make each lamp bead corresponding to each other.Lens should choose aspheric lens, the effect of the spherical lens. The distance on the surface light source and simulate the desktop should meet the national standard parameters.Key Words: LED table lamp, hole LED lamp,Tracepro II目录目录第1章 课题整体框架11.1 课题任务11.2 课题要求11.3 研究意义1第2章 设计方案22.1 仿真软件简介22.1.1 Tracepro 简介22.1.2 仿真流程图3第3章 实现功能53.1 实现功能描述 53.2 选型及建模 63.2.1台灯底座63.2.2 台灯颈部63.2.3 灯罩73.2.4 接收面93.2.5 模拟桌面10第4章 设计与实现114.1 设计中遇到的重点与难点114.2 设计决方案114.2.1灯珠的建模及设计114.2.2灯珠阵列建模及设计154.3 实现展示（附上仿真图或实物照片）23第5章总结26参考文献27致谢28 III第1章 课题整天框架第1章 课题整体框架1.1 课题任务1、设计直插式LED灯珠的结构2、LED台灯的实体外观的结构3、灯珠的阵列分布排列设计1.2 课题要求光源：光通量达到60lm照度要求：最大照度到达300lux,光出射效率为90%。指定区域的照度平均达到190lux,最大值为310lux。反光杯尺寸：顶端主半径与底端次半径相差连不大于0.2mm,高度为不大于2.5mm配光： 最大光强为50cd1.3 研究意义针对与现代人的生活习惯，在夜晚会学习对自己感兴趣的知识书籍或者会处理一下上班时没有及时处理的一些文件和信息。来缓解一下自己在平时工作中的压力。因此在夜晚工作就需要一个比较合适的台灯照明工具。现在对于LED台灯比较适合，对于性价比都是比较领先的，LED台灯在满足人们对光亮度的需求，也给与人们一个适合的照明环境，保护人体的眼睛视力，把伤害降到最低情况，做出让人体眼睛在夜晚能像白天自然光照射的情况下的视角效应。并把色温控制到冷色位置，让人们在长时间高亮度的工作下，减轻自己的疲劳度。LED照明又称固态照明，作为继白炽灯、荧光灯后的第三代照明技术，具有节能、环保、安全可靠的特点，固态光源是被业界看好的未来十年替换传统照明器具极具潜力的新型光源，代表照明技术的未来。发展新固态照明，不仅是照明领域的革命，而且符合当前政府提出的“建设资源节约型和环境友好型社会”的要求。1第2章 设计方案第2章 设计方案2.1 仿真软件简介2.1.1 Tracepro 简介TracePro是美国Lambda Research Co所开发的一套光学仿真软件，是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐照度分析及光度分析的光学仿真软件。与其它的光学设计软件相比，TracePro既具有真实立体模型的建模方法，又兼具强大的光学分析功能。尤为可贵的是，它是第一套以符合工业标准的ACIS(立体模型绘图软件)技术为核心的光学软件。到目前为止，Lambda Research Co.已经推出TracePro的四种版本，如下所述。Rc：只能模拟反射式照明系统；Lc：可以分析较少量组件数与光源数的发光及照明系统；Standard：标准配置，可分析大部分照明及光学系统；Expert：增加RepTile（鳞甲）功能，方便设计多且重复的物件(Object)，如菲涅耳透镜（Fresnel Lens）。其中，RepTile是TracePro的一个特别算法，能定义数千甚至数百万表面的特性。此算法能很快的定义表面任一区域，从点、到棱镜、到Fresnel等结构，来漫射、反射或折射进入的光线。Reptile的独特性能，在于当光线切入表面时，所计算的是“动态(oN the fly)”表面；而正因为所创造的是动态的表面，所以RepTile的几何架构并不会存成CAD表面的形式。这样可以节省大量档案空间以及处理光线与数百万表面相切的时间。使得TracePro得以数分钟而非数天的时间来分析背光系统。TracePro具有广泛的应用领域能模拟所有的类型的显示系统、照明系统，从背光到前光、光管、光纤以及LCD投影系统，目前广泛应用于汽车照明系统（前头等、尾灯、内部及仪表照明）、望远镜、照相机、红外线成像系统、导光管、投影显示系统、背光源系统等。设计一个照明系统，首要任务是建立一个实体模型，TracePro跟3D实体模型的兼容性非常的高，可以将Auto CAD、Mechanical Desktop、CADKEY等机械制图软件设计的模型直接导入，也可从非ACIS内核的光学设计程序（OSLO、ZEMAX、Code V等）导入光学镜头。除此之外，你也可以自己创建一立体模型，TracePro自带的建模功能，可以建立块，柱，锥，球面和薄板，也允许你建立在光机一体机中常见的光学元件，如菲涅耳透镜（Fresnel lens），反射体（reflector），灯管（tube）等。一些非规则的复杂模型，可通过布尔运算建立，布尔运算包含：相交，相减，联合。通过Sweep（填充延伸）和Revolve（旋转）命令对可以模型进行修改。不仅如此，TracePro还具有强大的物件(Object)编辑功能，移动、选装、缩放、剪切、复制、粘贴、插入等操作都非常方便直观，操作风格与Windows基本相同。作为光学仿真软件，实际物体与仿真结果中的光线的分布与光强一致或基本相同，才有实际意义。TracePro用“普适光线追迹”技术来追迹光线，这种技术允许你引入光线到一个模型，而在物件和表面相交处并没有引起额外的损失。在每个交点，个体光线遵从吸收、反射、折射、衍射和散射定律。符合实际的光路走向，使所设计的模型都能正确的分析出来。TracePro同时还具有强大的光学分析功能。分析菜单提供多种方法来显示光线追迹数据。Displaying Rays（显示光线）和Ray Sorting（选择光线），让你观察数据是否是你期待的结果。Irradiance Maps（光照分析图）、Ray Tables（入射光线表格）和Polarization Maps（光偏正分析图）提供每一个表面的模拟结果。Candela Plots（光强分布图）显示模型中光线数据的角度分配。Volume Flux Viewer（光通量）能够观察模型内部的流量分布。Reports Menu（报告菜单）帮助你完成分析光线数据和模型的多种报告形式。Tools(工具)菜单包括附加的功能来帮助你完成光线追迹结果。台灯底座、颈部、灯罩、模拟桌面、指定区域2.1.2 仿真流程图建立元件对灯罩部分的灯珠外体的材料设置、反光杯表面材等质、等设置光学材料建立模型进行表面光源的设置，选用三种波长的光进行合成白光波长分别为（0.4358,0.5461,0.7）单位为UM，定义光源参数把之前建立的几种模型进行光线追迹。光线追迹优化模型进行光照度分析、光强分析。并得出模型的结论进行改进，优化选择。分析模拟结果得出最佳模型，查看辐照度分析图，坎德拉分析图并描述最佳模型的优势。并总结。确立模型并总结图2-1 仿真流程图27第3章 实现功能第3章 实现功能3.1 实现功能描述整个模型主要由:台灯底座、台灯颈部、灯罩、接受面、模拟桌面五个部分组成。底座为台灯控制开关、具体电路以及支撑整个台灯。台灯颈部能为台灯到达一定的照明高度，为人们提供合适的光源。灯罩是光源的主要部分。接受面是我们对台灯的光源的光通量、光强、照度等等一系列的分析面，通过接受面我们可以判断我们设计的台灯是否到达标准和人们的需求。模拟桌面能够让台灯提供一个合适跟完美的提供照明的位置。主要部分灯罩包括：灯珠阵列、透镜面、反光罩。灯珠阵列包括：阵列模板、灯珠。灯珠包括：灯珠底部、灯珠外体、反光杯、发光面。灯珠阵列是我们需要设计的一部分，要达到一个满意的照度均匀和照明面积。透镜：用于灯具上一种玻璃或塑料性组件可以变化光线之方向或是控制配光分布情形。反光罩：能让光源更好的提供照明的需求，让光源全部在一个方向进行照明。阵列模板:固定每个灯珠的位置，也是设计阵列的一部分。能让灯珠在每一个方位进行照射，材料为环氧树脂，这样能教好的透光，到达台灯更高的照明效率。灯珠底座：为LED提供电源，以及为后面进行阵列设计的时候，能够很好的固定每个灯珠的位置的基础。材料设置为环氧树脂，较好的透射光源，和接受一定的温度。灯珠外体：也就是环氧树脂的外观造型，让灯珠也到达一定的美观效果，我们设计是直插式LED，故外体的形状也普通的圆柱形。反光杯：是控制整个光源的发射方向，也是LED灯能发光的重要之一，我们这模拟的是让光源能有较好的位置，而不是真实产品的发光面，这要尽量的聚光，以较小的光通量来到达更合适的照度。发光面：产品为直插式LED，而我这里进行被改进，对其重要的发光面为贴片的，这样在控制光源方向的时候，可以到达很好的效果。3.2 选型及建模在模型建立中，有五个大的部分：台灯底座、台灯颈部、灯罩、指定区域、模拟桌面。对应每一个部分进行建立，各个部分的坐标点，都要想嵌入合适，避免到后面整个模型不和整体合并。在建模之前，要对单位进行换算，避免最后与实际情况出现偏差。在这里Tracepro使用的单位是mm,下面的长度单位统一为毫米，下面就不列出参数的单位了，有给出单位的，以给出的实际单位为准，然后在进行换算。3.2.1台灯底座台灯底座的底面形状为圆形，应该要建立一个几何元器件，打开Tracepro软件顶端“插入”，打开下拉菜单点击里面的“几何物件”，并选择圆柱，半径、长度（66.5,19），底部的位置坐标（-230,0,250）底部转向（180,0,0）点击“插入”。如图3-1所示。图3-1 台灯底座3.2.2 台灯颈部颈部的操作，用了布尔运算，得出我需要一定高度。首先打开Tracepro软件顶端“插入”，打开下拉菜单点击里面的“几何物件”，并选择圆环，主、次半径（400,10）中心坐标（-38,0，235）旋转（90,0,0）点击“插入”，如图3-2所示。在用布尔运算求差集，得到圆环的四分之一 如图3-3。 图3-2 颈部组成部分图3-3台灯颈部3.2.3 灯罩灯罩分为：灯珠阵列、透镜面、反光罩。此节具体讲透镜和反光罩。透镜是用透明物质制成的表面为球面一部分的光学元件，镜头是由几片透镜组成的，有塑胶透镜(plastic)和玻璃透镜(glass)两种，玻璃透镜比塑胶贵。透镜的原理是用几何光学的反射和折射定律、透镜面：在透镜的设计中，这里我们用球面透镜，打开“插入”，并点击“透镜元件”选择透镜。单位为半径。厚度为2.材料为目录：SCHOTT,名称：BK7.透镜元件建立好后，在进行位置的移动。单击软件左边的一些模型元件里的我们建立好的“透镜面”，并右击打来下拉菜单，点击“移动”，选择“绝对位置” 参数为（0，0，8）为图3-5所示。图3-4 透镜元件图3-5 透镜的位置移动反光罩：这一部分也就是需要放灯珠阵列的一块，在建立的元件的时候需要留出一部分空间。准备先建立一个圆柱体，在用布尔运算来合成一个灯罩。打开“插入”，选择“几何物件”，建立一个圆柱体主半径、长度（38,40）中心位置坐标（0,0,-30）。在建立一个球体几何物件半径为38，中心位置（0,0,-30），进行布尔运算求并集。在建立一个球体几何物件半径为35，中心位置（0,0,10）。用球体与圆柱体进行布尔运算求差集， 最后的实物模型如图3-6所示。图3-6 灯罩模型3.2.4 指定区域指定区域为一个理想的光源面积，在夜间能够有较好的照明区域。对于现在夜间工作对于光线区域的大小定义在直径为50CM的圆形面积。打开Tracepro软件顶端“插入”，打开下拉菜单点击里面的“几何物件”，选择为圆柱体。半径、长度（250,1），位置坐标（0,0,244）。如图3-7所示。图3-7 指定区域设置参数3.2.5 模拟桌面定义一个1x1m的矩形面积的桌面，按照以上步骤一样，插入几何物件，选择方块。宽度（1000,1000,1） 中心位置（0,0,400.5）参数设置如图3-8所示。 图3-8 桌面的参数设置最后得到的整体模型图为图3-9所示图3-9 台灯整体模块第4章 调试与实现第4章 设计与实现4.1 设计中遇到的重点与难点在设计中遇到的难点有两点：1、灯珠内部结构的尺寸问题。2、灯珠阵列分布1、每个灯的都一个一定的照明面积，实际取决于灯珠内部的反射杯的尺寸大小、形状、材料所决定的。而我就是要让台灯的照明面积达到我们预计的面积范围，能然消费者更好的使用。2、灯珠的阵列分布，要求有均匀的照度情况，避免较严重的中央光斑。在设计的重点在对每个灯珠都要满足光通量的需求和有效照明面积，阵列的总面积大小和最后灯珠阵列排列的照明均匀度及总面积的大小。这些是否满足最优化的情况。4.2 设计决方案4.2.1灯珠的建模及设计灯珠包括：底部、发光面、灯珠外体、反光杯。打开Tracepro软件，单击“插入”打开下拉菜单，点击“几何物件”弹出对话窗口选择圆柱，并命名为“灯珠底部”，主半径、长度（2.9,1.5）底部中心位置坐标（0,0,0）如图4-1所示。图4-1 灯珠底部发光面，单击“插入”打开下拉菜单，点击“几何物件”弹出对话窗口选择方块，并命名为“灯珠底部”，主半径、长度（2.9,1.5）底部中心位置坐标（0,0,0）如图4-2所示。材料设置，点击软件最左边的模型“发光面”，打开，选择其中“Surface 0”右击鼠标，选择“属性”，选择“表面光源”。这里每个灯我们先设置为3lm,到后面的阵列设计时候，根据阵列需要的灯珠数目还要改动，光线的波长，我们使用三种光线进行合成，波长分别为（0.4358,0.5461,0.7）单位为UM，其余设置参数如图4-3所示。图4-2发光面图4-3 发光面的属性表面光源设置灯珠外体，需要两个部分进行布尔运算求并，圆柱体半径为2.4，长度为2.5，底部位置（0,0,1.5）如图4-4所示。圆球部分需要用布尔运算求差，如图4-5所示，保留球的部分。在对球体部分进行绝对位置的移动（0,0,1.62）如图4-6所示。图4-4 灯珠外体圆柱部分图4-5 灯珠外体球体部分图4-6 灯珠外体反光杯的设计，形状为圆锥体。第一种：主半径顶端为1.5，次半径低端为1，长度为2，根据模型需要的照明距离，建立一个接受面与前面一样的步奏，以接受的面的“Surface 3”为分析面，点击“trace rays”开始光线追迹，点击辐照度分析。分析图为图4-7所示。图4-7 第一种辐照度分析结果图4-8 第二种辐照度分析结果图由上面两张图对比，第一种图4-7显示出现了中央耀斑，中间区域光强度很高，而周围太低，照度均匀度很低，不符合。说明反光杯的圆锥体上下面的半径过大，光线集中在中心部分，应该把光线分散，把照明区域扩大。第二种：应该改为主半径顶端为0.7，次半径低端为0.5，长度为1.5，再进行辐照度分析，结果图为图4-8所示。两个图很直接的表现出，第二种图4-8光照度更为均匀，没有出现明显的中央区耀斑。两种情况，第一种最大值为55.28lux，平均值为2.88lux。第二种最大值为15.74.67lux，平均值都为2.88lux，说明第二种情况更为合适。4.2.2灯珠阵列建模及设计三种灯珠阵列分布：中井字、十字、正方。三种情况如图4-9到图4-11所示。三种情况的阵列模块都是以个圆形，由于灯罩的形状，我在每种阵列的分布都在在一个圆形的情况下的。第一种：正方，如图4-10所示。共需要25颗灯珠。我们每颗灯珠要设置为8lm的光通量。根据阵列模块的直径长度为70的一个圆形，正方分布的边长为49.4x49.4规格。那说明每一颗灯底座的中心位置都想距长度为9.8。那在x、y轴上的灯最远距离的坐标为（-19.6,0,0）、（0,-19.6,0）、（0,19.6,0）（19.6,0,0），根据阵列中每个灯珠的坐标位置象限进行排列。第二种：中井字，如图4-11所示。共需要20颗灯珠，我们每颗灯珠要设置为10lm的光通量。根据阵列模块的直径长度为70的一个圆形，阵列分布都是以中心点对称的图形，把中心点为坐标系的零坐标，整个阵列可以分成四分之，把四分之中的灯珠底座的中心位置坐标为（5.8,5.8,0）、（17.4,5.8,0）、（5.8,17.4,0）、（17.4,17.4,0）、（29,0,0）、（0,29,0）把上一节设计好的灯珠，建立20颗，根据阵列中每个灯珠的坐标位置象限进行排列。第三种：十字，如图4-9所示。共需要25颗灯珠。我们每颗灯珠要设置为8lm的光通量。根据阵列模块的直径长度为70的一个圆形，十字行上的每个灯珠中心点两两距离为8，十字行上最远四颗灯珠底座中心坐标为（24,0,0）、（0,24,0）、（-24,0,0）、（0,-24,0），将不再十字行线上的，分为四分之一，在坐标系第一象限的坐标为（11.3,11.3,0）、（20.7,12,0）、（12,20.7,0）根据阵列中每个灯珠的坐标位置象限进行排列。图4-9十字阵列分布图4-10正方阵列分布图4-11 井字阵列分布在三中阵列都建立完成之后就是进行，模拟分析这三中比较照度情况，和光强分布。第一种：正方形阵列分布，在软件的上端主菜单上，选择分析模式。如图4-12所示。图4-12模拟模式选择在主菜单中选择分析开始光线追迹或点击，如图4-13，所示。当要显示光照图时，必须选取一个表面，使得光照图有图表的数据。点击主菜单分析辐照度/光照度分析图或点击，显示光出射面的光照度图，如图4-15所示。辐照度分析设置，分析项目为“辐照度”，描绘光线“入射”，勾选“平滑化、区域坐标系、剖面曲线”，No.of Pixels:“40”，图形颜色“color(rainbow) on black”。并点击“应用”。图4-13 光线追迹图4-14 辐照度分析参数设置图4-15 正方阵列的辐照度图由图4-14得出，第一种正方阵列的照度最大值为400.51lux，平均光照度为72.01lux，光的发射效率为96.02%。光强度分析：点击主菜单分析Candela PlotePolar Iso-candela Plots(极坐标式的烛光图)或点击，candela选项参数设置，方位与光线：法线向量（0,0,1），指上向量（0,1,0），光线选择“使用所选平面或出射平面的入射光线”，candela分布：勾选“平滑度40、照明灯具格式 180”，并点击“应用”，如图4-16所示。得出的光强分布图如图4-17所示，配光曲线，如图4-18所示。图4-16 candela选项设置图4-17 正方阵列光强分布图图4-18 正方阵列配光曲线图第二种：中井字阵列分布，如第一种方式一样进行，辐照度分析和candela分析（光强度分布）如图4-19，图4-20，图4-21所示。图4-19 中井字阵列照度图图4-19 中井字阵列光强度分布图图4-19 中井字阵列配光曲线图第三种：十字形阵列分布，如第一种方式一样进行，辐照度分析和candela分析（光强度分布）如图4-22，图4-23，图4-24所示。图4-22 十字形阵列辐照度图图4-23 十字形阵列光强分布图图4-24 十字形阵列配光曲线图由三种阵列形式，进行对比，在照度图中，由图4-14得出，第一种正方阵列的照度最大值为400.51lux，平均光照度为72.01lux，光的发射效率为96.02%。光强度为：67.42cd。第二种：中井字形最大照度为：299.12lux，平均照度为57.58lux，总光通量为57.58lm，发射效率为95.96%。光强度为：52.65cd。第三中：十字形阵列正方形阵列最大照度为372.91lux，平均照度为75.558lux，总光通量为72.8lm，发射效率为95.53%。光强度为：65.98。由照度图不难看出，三种情况的照度均匀度差不多，在剖面图上只有叫微小的差别，第二种在水平方向和垂直方向上，照度大小的变化都是一致，差别相对于其余的两种阵列分布要小。第二种与其余两种相比，最大照度为中间值，光强度与第三种一样，而图像显示更为均匀，配光曲线中第二种范围更广，值更大。4.3 实现展示（附上仿真图或实物照片）阵列设计为中井字形，把灯珠阵列和台灯外体模型进行融合。下图所示为整个台灯的模型。图4-25 台灯图4-26 台灯轮廓图图4-27 台灯光源光强度垂直坐标图图4-28 台灯光源的辐照度图图4-29 台灯光强度分布图以指定区域为分析面进行照度分析，得出的照度图为图4-30所示。图4-30 指定区域照度图在指定区域的平均照度为191.07lux，最大照度为311.95lux。在照度值变化就小的区域面积比较大，这