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毕业论文-LED照明系统设计目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 引言11.2 国内外现状与发展趋势11.3 研究的目的与意义21.4 研究的内容32 LED光源与传统光源的比较42.1 传统光源的优缺点42.2 LED光源的优缺点43 对光场的要求以及光场模拟73.1 道路照明指标及采取的方案73.2 LED光源的光强分布以及光场模拟93.3 LED照明系统的二次设计104 总 结16致 谢17参考文献18摘 要发光二极管 LED，Light Emitting Diode 被认为是人类历史上继火焰、白炽灯、荧光灯之后的第四代光源。基于节能的需要以及人们对照明质量要求的不断提高，半导体照明光源以其高效节能、长寿命、色彩丰富和环保等特点受到了人们的广泛关注。在照明领域，主要关心的问题是如何将光能高效地投射到目标面上，并在照射目标上实现特定方式的照明。通过一系列的设计与调整，制造出高效的LED照明系统，从而让LED走进人们的生活成为可能。本文介绍了LED照明特点、光场分布、道路照明指标以及采取的一些控制措施，并以LED路灯设计为实例，采用区域分割的思想对LED路灯进行光学设计，让指定的LED照射到特定的区域，通过这些照明区域的叠加实现道路的均匀照明，最终得到满意的结果。设计结果经过ASAP软件仿真和实际测量均达到了道路照明标准中的要求。关键字：发管二极管照明 道路照明 二次光学设计 发光二极管路灯LED Lighting System DesignAbstractLight Emitting Diode LED is considered as the fourth-generation light source after Flame，Incandescent and Fluorescent in the history of mankindWith the demand of energy saving and the requirement for higher lighting quality, semiconductor lighting sources have been concerned for its excellent characteristics: high efficient and energy saving, long life, rich colors and environmental protection ect. In the lighting field, the main concern is how to efficiently light projected onto the target surface, and the irradiation target on the way to achieve a particular lighting. Through a series of design and adjustment, to create a highly efficient LED lighting system, so that LED into peoples lives possible.This paper introduces the characteristics of LED lighting, light distribution, lighting a number of indicators and Program adopted, and to design LED lamps as an example, a regional division of thought on the LED lamp for optical design, LED light so designated to a specific area, through the illumination path of stacking area uniform illumination. ASAP software design results through simulation and actual measurement are met the requirements of road lighting standards.Keywords: LED lighting; Road lighting ; Secondary optics design; LED lamps1 绪 论1.1 引言1879年，爱迪生发明了碳丝白炽灯，使照明技术进入一个崭新的时代。回顾20世纪的照明史，荧光灯、汞灯、高低压钠灯、金属卤化物灯、紧凑型荧光灯、高频无极荧光灯以及微波硫灯等新光源层出不穷。白炽灯从其问世的那一天起就带有先天性的缺陷，寿命短，钨丝加热耗电大，灯泡易碎，而且容易使人触电。荧光灯的出现，虽说比白炽灯节电节能，但对人的视力产生不利的影响，灯管内的重金属汞也有害于人体和环境。真正引发照明技术发生质变的还是LED的发明。与传统照明技术相比，LED的最大区别是结构和材料的不同，它是一种能够将电能转化为可见光的半导体。LED属于全固体冷光源，体积极小、结构坚固、重量轻、而且工作电压低，使用寿命长，节能环保。 LED光源被称为继白炽灯、荧光灯、高强度气体灯之后的第四代光源。在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势。LED照明使用的白色LED发光效率的提高非常明显，最近12年的进步尤为显著。虽然数值超过了100lm/W，但就LED照明器具而言仍未超越荧光灯。因为使用白色LED组装照明器具时，在电源电路功率转换损耗、升温及输入大电流造成的发光效率下降、器具内光损耗的影响下，照明器具整体的效率（综合效率）约为白色LED的发光效率的5070，即使使用最新的白色LED也只能达到80左右。 发光效率在今后仍会继续提升，综合效率超越荧光灯的LED照明器具将于20102015年间问世，到那时，LED才会真正成为效率No.1的照明。1231.2 国内外现状与发展趋势LED的研制起始于上世纪六十年代，随着技术的进步，其出光颜色的种类、芯片尺寸、发光效率、输入功率和封装结构等都有了很大的飞跃。最初由于光效率较低，光通量很小，只能在电器设备和仪器仪表上作为指示灯使用。进入90年代，随着LED制造材料的革新、工艺的改进和生产规模的提高，A1GaInP 磷化铝镓铟 等超高亮度LED逐渐进入市场并占据重要地位。特别是自1998年白光LED研制成功后，人们认识到了LED在普通照明领域的巨大发展潜力，纷纷加大研究投入，从而掀起了一场新的产业革命照明革命。美国能源部每年提供5000万美元实施固态光源的战略发展规划：计划到2025年照明灯能耗可节省29，20052025年可累计节省1250亿美元的电费，相当推迟建立40多个1000兆瓦的电厂，有利于减少环境污染；同时计划到2025年全国固态光源市场的收入每年约100亿美元。为了指导LED照明产业的发展，美国光电工业发展协会 OIDA 制定了相应的技术路线图，计划到2020年，将LED的发光效率提高到200lm/w，而照明成本降低到3美元，如表1-1。表1-1半导体照明光源发展目标指标2002年2007年2012年2020年发光效率/lm/W2575150200寿命/h20,00020,000100,000100,000光通量/lm2520010001500输入功率/W12.76.77.5光通价格/$/klm2002052照明成本/$5453显色指数75808080曰本于1998年在世界率先开展“2l世纪照明”计划，器在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED，使得照明的能量效率提高到传统荧光灯的两倍，减少CO2的产生，并在2006年完成用LED替代50的传统照明光源的目标，整个计划的财政预算为60亿日元。从19982002年，耗资50亿日元的第一期目标已经完成，曰本正在实施第二期计划，计划到2010年将LED的发光效率提高到120 lmW。中国于2003年6月17日，由科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半导体照明工程协调领导小组，提出了我国实施半导体照明工程的总体方针，研究提出中国半导体照明产业发展的总体战略和实施方案。2004年6月我国由15个科研所和50多个企业参与实施的国家LED固态能源计划，已由中央政府拨款1.4亿元。从2006年的“十一五”开始，国家将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。我国半导体产业正在进入自主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇。我国出现了很多示范性路灯照明实例。随着2008年北京奥运会和20l0年上海世博会的陆续申办成功，北京、上海等主要的举办城市加大了对景观照明的投入，受此影响，2007年LED用于景观照明市场的规模达到212亿元。可以预见，未来LED将逐渐替代白炽灯、荧光灯等光光源，成为人造光源逐流产品，广泛应用于各种照明、显示和标识，专家估计将会有1000亿美元的产业规模。此外，北京和其他地方政府也参与投资开发地方的固态光源。作为一个新型绿色照明光源，LED引起了各国的广泛关注和深入研究，它将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯和高压放电灯之后的第四代人工照明光源。4561.3 研究的目的与意义世界照明工业的转型和新兴半导体照明产业的崛起，已成为不争的事实。半导体照明光源具有节能、环保和寿命长等显著优点，各国都已经认识到了发展半导体照明产业具有重要战略意义：1、半导体照明是节能的“富矿”，同样亮度下耗电仅为普通白炽灯的110节能灯的12，使用寿命却可以延长100倍；2、半导体照明是安全、健康的“绿色光源”，环保效果明显，半导体照明光源直流、低压，无频闪和电磁干扰，无红外、紫外辐射，无荧光灯中的汞蒸汽等污染物，符合欧盟未来灯具生产标准，并通过节能降耗减少火力发电产生的C02、S02和粉尘的排放量。此外，半导体照明的数字化照明应用和丰富的视觉效果可以调节人的生理和心理，营造气氛，带来健康舒适的生活和工作环境；3、半导体照明有着巨大的市场及发展潜力，对调整传统照明产业结构，提升产业国际竞争力意义重大；4、半导体照明产业涵盖节能、环保、高技术、微电子、基础装备制造等诸多领域，发展半导体照明产业，对信息产业、汽车电子、原材料与装备制造、消费类电子、航空航天、太阳能光伏以及整个光电子产业等领域均起到重要的带动作用。71.4 研究的内容本文作者在毕业设计过程中，对本课题作了以下几个方面的工作： 4 在现有论文的基础上，设计一个LED路灯。2 LED光源与传统光源的比较2.1 传统光源的优缺点传统光源的优点：1、传统光源技术较成熟，散热问题控制的很好，因此光衰较小，发光效率高2、造价便宜，LED灯具比之传统的高压钠灯价格要高出34倍，相对于高昂的LED灯具的投资成本和运行成本金属卤化物灯的寿命在600012000小时，高压钠灯的寿命是12000小时高压钠灯或金属卤化物灯是全空间发光的光源，需要将一个半空间的出射光线改变180方向投向另一半空间内。当我们依赖反射器来完成时，反射器对光线的吸收和光源自身的挡光是不可避免的高压钠灯灯泡启动时间长，在通电510分钟左右，才能达到正常亮度，再次启动的时间间隔一般要大于5分钟高压钠灯发光颜色为黄色，色温及显像指数都比较低。太阳显像指数为100，而高压钠灯的显像指数仅为20左右（黄光）。钠灯由于灯亮灯灭时温度差异很大，若灯体不带呼吸系统，发射器容易被有害气体腐蚀而产生较大的光损。高压钠灯易碎，抗震能力差1、高效节能，LED最大的优势体现在节能上。LED采用直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06 瓦），电光功率转换接近100%。据统计白光LED的能耗仅为白炽灯的1/10，节能灯的1/4。节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因，也许LED光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得5年以上的每年几倍的节能净收益期。2、超长寿命，LED二极管平均寿命5万小时以上，高标准的可以达到10万小时以上。按每天使用12小时计算，可以用100000 / 12 /36522.8年。更高一点的说每天使用3-5小时，它的寿命甚至比人的寿命还长。从而大大减少了维修烦恼和更换次数，节省材料成本和人工费用，并能确保长期正常使用。3、利环保：LED是一种绿色光源，环保效益更佳。光谱中没有紫外线和红外线，热量低和无频闪，无辐射，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。4、显色性好，光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度；光源的显色性是由显色指数Ra来表明，正常情况下把太阳的显色指数定为 100 ，LED的发出的光线能量集中度很高，集中在较小的波长窗口内，纯度 高。LED显色性80。5、色彩丰富，LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生25625625616777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。这样的话，它就可以满足不同客户对个性光环境的需求。6、产品外观多样化，LED按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发 光管、侧向管、表面安装用微型管等。LED元件的体积可以做的非常小，更加便于各种设备的布置和设计。因此可以根据需要设计成各种各样的样式，满足多样化的需求。7、性能稳定、安全可靠，LED低压直流发光，发热量低、无热辐射性、冷光源、可以安全触摸，能精确控制光型及发光角度、光色和无眩光、无频闪，不含汞，钠元素等可能危害健康的物质。8、高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等所以亦是数字信息化产品是半导体光电器件高新尖技术具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点LED路灯有独特的二次光学设计，将LED路灯的光照射到所需照明的区域，进一步提高了光照效率，以达到节能目的对道路照明要求感悟不足，科学性点光源光学配光难点及对色温在道路照明中的重要性忽略，易造成眩光，斑马效应和在空气污染严重，下雨有雾天气的环境中，造成灯亮地面不够亮的现象。LED路灯模块化的可靠性仍需加强，由于驱动电路等原因也会造成LED路灯的失效3 对光场的要求以及光场模拟3.1 道路照明指标及采取的方案道路照明指标14作为道路照明的质量评价指标，IESCIE以及我国的国家标准对道路照明均有明确的光度要求规范，其中包括以下几点：路面的平均亮度水平 道路表面的平均亮度水平影响着驾驶员的对比敏感度，因而也影响着知觉的可靠性。在道路照明中，驾驶员观察路面障碍物的背景主要是驾驶员前方的路面。因此，障碍物本身的表面和路面之间至少要有一定的、最低限度的亮度差（对比才能察觉到障碍物。所需的对比值取决于视角及观察者视场中的亮度分布，后者决定观察者眼睛的适应条件。视角越大（当观察者至障碍物的距离不变时，障碍物越大），路面亮度越高，眼睛的对比灵敏度越高，觉察障碍物的机会也就越大 。因此，提高路面平均亮度（或照度）值将有利于提高驾驶员觉察（障碍物）的可靠性。平均亮度水平也直接影响到驾驶员的视觉舒适程度。平均亮度越高（但需保持在产生眩光的亮度水平以下），驾驶员就越舒适。2 、 路面的亮度均匀性为使路面亮度均匀，道路照明设施，虽然能为路面提供良好的平均亮度，但也有可能在路面上某些区域产生很低的亮度，因而在这些区域里对比值低、阈值对比高。同时，视场中大的亮度差，也会导致眼睛的对比灵敏度下降和引起所谓瞬时 适应问题，以致不易觉察出在这些较暗区域里的障碍物。因此，为了使路面上各个区域里的各点都有足够觉察率，就必须确定路面上最小亮度和平均亮度之间的允许差值，即亮度总均匀度，它定义为路面上最小亮度和平均亮度之比。在保证亮度总均匀度的情况下，路面仍有可能出现部分亮、部分暗的不舒适感觉。所以从舒适性考虑，应限制沿车道中心线上最亮区和最暗区的亮度差 ，即纵向均匀度。3 、 眩光4、 视觉诱导视觉诱导性不能用光度参数来表示，但它也是道 路照明质量评价的一个重要因素。照明设施应能 提供良好的诱导性，使驾驶员在一定距离外能够立刻辨认这条道路的方向，它对交通安全和舒适 所起的作用犹如亮度水平或眩光控制一样重要， 它与驾驶员的视功能和视舒适两者都有关系。对道路照明灯具的光度要求的推荐值内所包含的光通量值，除以这个立体角元，所得的商就定义为光源在此方向上的发光强度，以I表示，表达式为 3-1 现有的LED发光源是光强分布近似朗伯源的点光源，单个的功率都在1瓦左右，而道路照明往往要求有特定形状的被照光场，如国家规定主干道路灯的照明区域为10x50平米的矩形区域。因此要组成道路照明系统，就不能简单地将LED组合一起，这样形成的圆形光场将不利于光能的利用，无法满足国家标准对整个被照区域光照度均匀性的要求。如果能够将LED芯片发出的光合理的分配道路面上面，在路面上面形成一个均匀照度的长方形区域，则可以在低的发光效率下实现高于高压钠灯的能量利用率。LED道路照明灯具进行二次光学系统设计,其意义在于改变灯具的光度指标 ,从而改善道路照明的照明均匀度和眩光等指标。现阶段单个LED的功率还达不到普通照明的要求，因此采用LED的路灯照明必须对LED进行阵列。在LED路灯照明光学系统中，对地面的光照度分布有影响的因素有LED的阵列形式、LED的数量、LED之间的间距、LED路灯离地面的高度、LED路灯之间的间隔。目前，我国道路照明设计的依据是国家建设部于1992年颁布并实施的城市道路照明设计标准CJJ45-91，该标准对不同道路类型的路面所需要达到的光照度作出了具体的定量规定。170. LED路灯采用的几种形式一种是光源由多颗LED组成，以LED阵列来替代传统光源，采用传统灯具的设计思想和设计形式，只对驱动控制电路和散热器件加以调整，然后套上普通灯罩，并没有对LED的安装角度和发散角大小加以调整或设计。用这种方法可以替换现有的传统光源，而灯具外形不发生改变，但LED空间光分布特性与传统光源差别较大，用传统光源的配光方法反而会降低光的利用效率，而且LED芯片的散热也是一个很难解决的问题。如图3-3所示：图3-3 根据传统灯具设计方法设计的LED路灯另一种是多颗LED以阵列形式组成光源，但将LED设置在弧形曲面上，以此来调整LED的角度，并将LED在矩形区域内多列多行纵横排列，每一列或行的LED与基座的底平面之间都有一定夹角。如图3-4所示：图3-4 阵列分布式LED，每一列或行与底座都有一定夹角再有一种是多颗LED以阵列形式分布，并在每颗LED上加装透镜或反光碗改变LED的发散角，LED水平分布，且每颗LED都有相应的透镜与之对应；或者同时控制LED的安装角度和光发散角，其每一列LED所在的平面都与底面成一定的角度，且每颗LED都有相应的透镜与之配套，如图3-5所示18：图3-5 每颗LED都有一颗透镜与之对应，LED阵列处在同一平面上. LED路灯设计在本节中，本文作者要设计一款LED路灯使其满足城市道路照明设计标准的要求 CJJ4591 。在LED路灯照明光学系统中，对地面的光照度分布有影响的因素有LED的阵列形式、LED的数量、LED之间的间距、LED路灯离地面的高度、LED路灯之间的间隔。目前现有的LED路灯多单纯采用反光面结合LED放置方向来进行光学系统的设计，这种设计方法很难达到满意的路面均匀度，而且会造成很多光线的浪费，同时使灯具的外形设计受到了限制。 因此本文采用LED阵列加透镜的方式来设计光学系统。为了尽量减少LED的使用数量，我们选取流明数高、可靠性好、且现在已经能商用的LED。经过综合评价，选用lumileds公司的rebel系列的冷白光源作为LED路灯的光源。具体型号为LXMLPWCl0080，在结温250C，驱动电流350mA时，总光通量为801m，驱动电流驱动电流700mA时，总光通量为1451m，发散角为1600，光强分布可以看似为朗伯体。考虑到LED的光能在传播中的损耗，以及温度对LED光转化效率的影响，我们将LED的颗数设为60颗。接下来要考虑的问题是如何将光能均匀地分布于所要照明的路面上。现用ASAP模拟单颗LED的路面照明效果，如图3-6所示：图3-6 单颗LED在路灯所处位置照明效果从图中可以发现，如果将LED水平向下放置照射路面，照明面积难以覆盖整个路面；由于路灯位置分布非路面中心点，而离一边只有1米距离，光能一部分照射到路面外面，能量浪费严重；且其发散角较大，均匀无法达到国家标准的要求。因此我们必须对LED进行配光设计，使其满足照明需要。出于成本控制和路灯可扩展性等因素的考虑，我们采用区域分割法对LED路灯进行光学设计。具体方案如下：将60颗LED分为10列，每列6颗，并将路面进行分割，让每一列LED负责一片路面区域，通过调整这10列LED的出射光角度，照亮与之相对应的区域，通过叠加实现道路的均匀照明。由于LED发散角太大，尤其难以满足路面长度方向较远处的照明，因此我们用目前使用较为广泛的LED聚光透镜如图3-7对光线进行准直，减小其发散角的大小使其满足局部照明的要求。利用光线在透镜侧面的全反射和透镜端面的折射来控制LED的发散角，利用全反射原理，使光线在反射过程中能量不损耗，最终透光率能达到93。图3-7 LED聚光透镜通过选择不同发散角的LED透镜，利用ASAP仿真软件，经过多次叠加、优化之后将路面照明区域填满，最终得到的结果如图3-8所示18： 图3-8 最终优化结果从上面的图文，我们可以得知路灯照度分布均匀，达到了我们的预期目标，达到了国家标准。根据国家有关规定，我们可以得知灯具的配光类型、布灯方式与安装高度、间距的关系灯具的配光类型、布灯方式与安装高度、间距的关系灯具配光类型截光型半截光型非截光型布灯方式安装高度H m 距S m 安装高度H m 间距S m 安装高度H m 间距S m 单侧布置HWeffS3HH1.2WeffS3.5HH1.4WeffS4H交错布置H0.7WeffS3HH0.8WeffS3.5HH0.9WeffS4H对称布置H0.5WeffS3HH0.6WeffS3.5HH0.7WeffS4H注：Weff为路面有效宽度 m 采用普通截光型路灯按平面对称式配置灯具的高杆灯，其间距和高度之比以31为宜，不应超过41。,称之为 “斑马效应”，如图3-10所示： 图3-10 传统路灯路面照射效果通过我们一系列的设计与调整，使用设计的LED路灯，我们可以得到更均匀，更舒适的照明环境，从而提高道路的照明质量，如图3-11所示：图3-11 LED路灯路面照射效果 4 总 结本文研究的出发点是LED照明系统，主要工作致力于LED光源与传统光源的比较以及LED光源的光强和广场的模拟,研究工作如下：在本课题的研究过程中，查阅了大量资料，首先弄清楚了LED光源的优缺点。在查阅传统光源的优缺点的资料时遇到了一定困难，由于现在基本上都放弃了传统光源的使用，相关的资料比较难找，后来在老师和同学的帮助下，通过各种途径，收集到了充足的资料。由于毕业设计时间比较仓促，本次设计本文作者并没有掌握使用ASAP这个仿真软件，借鉴了他人的实验结果，这个也是本次毕业设计一个遗憾的地方。在优化LED光源与透镜夹角和方向的时候，没有给出详细的计算过程跟优化的参数，主要对最终的优化结果做了简单的分析。LED照明系统主要跟单颗LED光源的光效、光源前面的透镜以及来年跟着之间的位置有关。通过毕业设计期间查阅资料，自主的学习与分析，对此有了一定程度的认识。最后就是整理论文了，对先前做的所有的工作进行系统的总结。经过的我的毕业设计终于完成了。通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计我，通过这次毕业设计，我明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响而且大大提高了的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。 致 谢感谢20092 颜严，照明技术的革命激光与光电子学进展.2002，39 11 ：54-553 崔元日，潘苏予第四代照明光源一白光LED灯与照明，2004，2