LED照明系統(tǒng)(畢業(yè)設(shè)計(jì))

目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1引言 11.2國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 11.3研究的目的與意義 21.4研究的內(nèi)容 32LED光源與傳統(tǒng)光源的比較 42.1傳統(tǒng)光源的優(yōu)缺點(diǎn) 42.2LED光源的優(yōu)缺點(diǎn) 43對(duì)光場(chǎng)的要求以及光場(chǎng)模擬 73.1道路照明指標(biāo)及采取的方案 73.2LED光源的光強(qiáng)分布以及光場(chǎng)模擬 93.3LED照明系統(tǒng)的二次設(shè)計(jì) 104總結(jié) 16致謝 17參考文獻(xiàn) 18LED照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要發(fā)光二極管(LED，LightEmittingDiode)被認(rèn)為是人類歷史上繼火焰、白熾燈、熒光燈之后的第四代光源?；诠?jié)能的需要以及人們對(duì)照明質(zhì)量要求的不斷提高，半導(dǎo)體照明光源以其高效節(jié)能、長壽命、色彩豐富和環(huán)保等特點(diǎn)受到了人們的廣泛關(guān)注。在照明領(lǐng)域，主要關(guān)心的問題是如何將光能高效地投射到目標(biāo)面上，并在照射目標(biāo)上實(shí)現(xiàn)特定方式的照明。通過一系列的設(shè)計(jì)與調(diào)整，制造出高效的LED照明系統(tǒng)，從而讓LED走進(jìn)人們的生活成為可能。本文介紹了LED照明特點(diǎn)、光場(chǎng)分布、道路照明指標(biāo)以及采取的一些控制措施，并以LED路燈設(shè)計(jì)為實(shí)例，采用區(qū)域分割的思想對(duì)LED路燈進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，讓指定的LED照射到特定的區(qū)域，通過這些照明區(qū)域的疊加實(shí)現(xiàn)道路的均勻照明，最終得到滿意的結(jié)果。設(shè)計(jì)結(jié)果經(jīng)過ASAP軟件仿真和實(shí)際測(cè)量均達(dá)到了道路照明標(biāo)準(zhǔn)中的要求。關(guān)鍵字：發(fā)管二極管照明道路照明二次光學(xué)設(shè)計(jì)發(fā)光二極管路燈

LEDLightingSystemDesignAbstractLightEmittingDiode(LED)isconsideredasthefourth-generationlightsourceafterFlame，IncandescentandFluorescentinthehistoryofmankind．Withthedemandofenergysavingandtherequirementforhigherlightingquality,semiconductorlightingsourceshavebeenconcernedforitsexcellentcharacteristics:highefficientandenergysaving,longlife,richcolorsandenvironmentalprotectionect.Inthelightingfield,themainconcernishowtoefficientlylightprojectedontothetargetsurface,andtheirradiationtargetonthewaytoachieveaparticularlighting.Throughaseriesofdesignandadjustment,tocreateahighlyefficientLEDlightingsystem,sothatLEDintopeople'slivespossible.ThispaperintroducesthecharacteristicsofLEDlighting,lightdistribution,lightinganumberofindicatorsandProgramadopted,andtodesignLEDlampsasanexample,aregionaldivisionofthoughtontheLEDlampforopticaldesign,LEDlightsodesignatedtoaspecificarea,throughtheilluminationpathofstackingareauniformillumination.ASAPsoftwaredesignresultsthroughsimulationandactualmeasurementaremettherequirementsofroadlightingstandards.Keywords:LEDlighting;Roadlighting;Secondaryopticsdesign;LEDlamps1緒論1.1引言1879年，愛迪生發(fā)明了碳絲白熾燈，使照明技術(shù)進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)代?；仡?0世紀(jì)的照明史，熒光燈、汞燈、高／低壓鈉燈、金屬鹵化物燈、緊湊型熒光燈、高頻無極熒光燈以及微波硫燈等新光源層出不窮。白熾燈從其問世的那一天起就帶有先天性的缺陷，壽命短，鎢絲加熱耗電大，燈泡易碎，而且容易使人觸電。熒光燈的出現(xiàn)，雖說比白熾燈節(jié)電節(jié)能，但對(duì)人的視力產(chǎn)生不利的影響，燈管內(nèi)的重金屬汞也有害于人體和環(huán)境。真正引發(fā)照明技術(shù)發(fā)生質(zhì)變的還是LED的發(fā)明。與傳統(tǒng)照明技術(shù)相比，LED的最大區(qū)別是結(jié)構(gòu)和材料的不同，它是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體。LED屬于全固體冷光源，體積極小、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、重量輕、而且工作電壓低，使用壽命長，節(jié)能環(huán)保。LED光源被稱為繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體燈之后的第四代光源。在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢(shì)。LED照明使用的白色LED發(fā)光效率的提高非常明顯，最近1～2年的進(jìn)步尤為顯著。雖然數(shù)值超過了100lm/W，但就LED照明器具而言仍未超越熒光燈。因?yàn)槭褂冒咨獿ED組裝照明器具時(shí)，在電源電路功率轉(zhuǎn)換損耗、升溫及輸入大電流造成的發(fā)光效率下降、器具內(nèi)光損耗的影響下，照明器具整體的效率（綜合效率）約為白色LED的發(fā)光效率的50～70％，即使使用最新的白色LED也只能達(dá)到80％左右。發(fā)光效率在今后仍會(huì)繼續(xù)提升，綜合效率超越熒光燈的LED照明器具將于2010～2015年間問世，到那時(shí)，LED才會(huì)真正成為效率的照明。[1][2][3]1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)LED的研制起始于上世紀(jì)六十年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，其出光顏色的種類、芯片尺寸、發(fā)光效率、輸入功率和封裝結(jié)構(gòu)等都有了很大的飛躍。最初由于光效率較低，光通量很小，只能在電器設(shè)備和儀器儀表上作為指示燈使用。進(jìn)入90年代，隨著LED制造材料的革新、工藝的改進(jìn)和生產(chǎn)規(guī)模的提高，A1GaInP(磷化鋁鎵銦)等超高亮度LED逐漸進(jìn)入市場(chǎng)并占據(jù)重要地位。特別是自1998年白光LED研制成功后，人們認(rèn)識(shí)到了LED在普通照明領(lǐng)域的巨大發(fā)展?jié)摿?，紛紛加大研究投入，從而掀起了一?chǎng)新的產(chǎn)業(yè)革命——照明革命。美國能源部每年提供5000萬美元實(shí)施固態(tài)光源的戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃：計(jì)劃到2025年照明燈能耗可節(jié)省29％，2005~2025年可累計(jì)節(jié)省1250億美元的電費(fèi)，相當(dāng)推遲建立40多個(gè)1000兆瓦的電廠，有利于減少環(huán)境污染；同時(shí)計(jì)劃到2025年全國固態(tài)光源市場(chǎng)的收入每年約100億美元。為了指導(dǎo)LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，美國光電工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(OIDA)制定了相應(yīng)的技術(shù)路線圖，計(jì)劃到2020年，將LED的發(fā)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半導(dǎo)體照明光源發(fā)展目標(biāo)指標(biāo)2002年2007年2012年2020年發(fā)光效率/lm/W2575150200壽命/h20,00020,000100,000100,000光通量/lm2520010001500輸入功率/W1光通價(jià)格/$/klm2002052照明成本/$5453顯色指數(shù)75808080曰本于1998年在世界率先開展“2l世紀(jì)照明”計(jì)劃，器在通過使用長壽命、更薄更輕的GaN高效藍(lán)光和紫外LED，使得照明的能量效率提高到傳統(tǒng)熒光燈的兩倍，減少CO2的產(chǎn)生，并在2006年完成用LED替代50％的傳統(tǒng)照明光源的目標(biāo)，整個(gè)計(jì)劃的財(cái)政預(yù)算為60億日元。從1998~2002年，耗資50億日元的第一期目標(biāo)已經(jīng)完成，曰本正在實(shí)施第二期計(jì)劃，計(jì)劃到2010年將LED的發(fā)光效率提高到120lm／W。中國于2003年6月17日，由科技部牽頭成立了跨部門、跨地區(qū)、跨行業(yè)的“國家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組"，提出了我國實(shí)施半導(dǎo)體照明工程的總體方針，研究提出中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的總體戰(zhàn)略和實(shí)施方案。2004年6月我國由15個(gè)科研所和50多個(gè)企業(yè)參與實(shí)施的國家LED固態(tài)能源計(jì)劃，已由中央政府撥款億元。從2006年的“十一五”開始，國家將把半導(dǎo)體照明工程作為一個(gè)重大工程進(jìn)行推動(dòng)。我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)入自主創(chuàng)新、實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的重大歷史機(jī)遇。我國出現(xiàn)了很多示范性路燈照明實(shí)例。隨著2008年北京奧運(yùn)會(huì)和20l0年上海世博會(huì)的陸續(xù)申辦成功，北京、上海等主要的舉辦城市加大了對(duì)景觀照明的投入，受此影響，2007年LED用于景觀照明市場(chǎng)的規(guī)模達(dá)到21．2億元?？梢灶A(yù)見，未來LED將逐漸替代白熾燈、熒光燈等光光源，成為人造光源逐流產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于各種照明、顯示和標(biāo)識(shí)，專家估計(jì)將會(huì)有1000億美元的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。此外，北京和其他地方政府也參與投資開發(fā)地方的固態(tài)光源。作為一個(gè)新型綠色照明光源，LED引起了各國的廣泛關(guān)注和深入研究，它將成為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈和高壓放電燈之后的第四代人工照明光源。[4][5][6]1.3研究的目的與意義世界照明工業(yè)的轉(zhuǎn)型和新興半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的崛起，已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。半導(dǎo)體照明光源具有節(jié)能、環(huán)保和壽命長等顯著優(yōu)點(diǎn)，各國都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了發(fā)展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)具有重要戰(zhàn)略意義：1、半導(dǎo)體照明是節(jié)能的“富礦”，同樣亮度下耗電僅為普通白熾燈的1／10節(jié)能燈的1／2，使用壽命卻可以延長100倍；2、半導(dǎo)體照明是安全、健康的“綠色光源”，環(huán)保效果明顯，半導(dǎo)體照明光源直流、低壓，無頻閃和電磁干擾，無紅外、紫外輻射，無熒光燈中的汞蒸汽等污染物，符合歐盟未來燈具生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，并通過節(jié)能降耗減少火力發(fā)電產(chǎn)生的C02、S02和粉塵的排放量。此外，半導(dǎo)體照明的數(shù)字化照明應(yīng)用和豐富的視覺效果可以調(diào)節(jié)人的生理和心理，營造氣氛，帶來健康舒適的生活和工作環(huán)境；3、半導(dǎo)體照明有著巨大的市場(chǎng)及發(fā)展?jié)摿?，?duì)調(diào)整傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)業(yè)國際競(jìng)爭(zhēng)力意義重大；4、半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)涵蓋節(jié)能、環(huán)保、高技術(shù)、微電子、基礎(chǔ)裝備制造等諸多領(lǐng)域，發(fā)展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，對(duì)信息產(chǎn)業(yè)、汽車電子、原材料與裝備制造、消費(fèi)類電子、航空航天、太陽能光伏以及整個(gè)光電子產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域均起到重要的帶動(dòng)作用。[7]1.4研究的內(nèi)容本文作者在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)本課題作了以下幾個(gè)方面的工作：(1)查閱大量的文獻(xiàn)資料，了解LED光源照明的特點(diǎn)，并與傳統(tǒng)光源照明做比較；(2)分析LED照明系統(tǒng)地光強(qiáng)分布以及光場(chǎng)的模擬；(3)了解道路照明指標(biāo)并采取方案；(4)在現(xiàn)有論文的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一個(gè)LED路燈。

2LED光源與傳統(tǒng)光源的比較2.1傳統(tǒng)光源的優(yōu)缺點(diǎn)傳統(tǒng)光源的優(yōu)點(diǎn)：1、傳統(tǒng)光源技術(shù)較成熟，散熱問題控制的很好，因此光衰較小，發(fā)光效率高2、造價(jià)便宜，LED燈具比之傳統(tǒng)的高壓鈉燈價(jià)格要高出3~4倍，相對(duì)于高昂的LED燈具的投資成本和運(yùn)行成本，傳統(tǒng)燈具在價(jià)格上的具有巨大的優(yōu)勢(shì)。3、光照距離長，射程遠(yuǎn)。傳統(tǒng)光源光線不容易發(fā)散，因此，其照明距離相對(duì)于LED光源來說，具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。4、技術(shù)要求低，相對(duì)于新型LED路燈高科技的要求，傳統(tǒng)光源大多的高壓鈉燈的技術(shù)含量相對(duì)降低很多，對(duì)于絕大多數(shù)人具有很強(qiáng)的操作性。5、傳統(tǒng)光源的均勻度較高，同樣里程的道路，高壓鈉燈使用的燈數(shù)可以比LED燈具減少20%~30%。傳統(tǒng)光源的缺點(diǎn)：1、污染環(huán)境，含有汞、鈉等有害元素，對(duì)環(huán)境造成較大的影響。2、浪費(fèi)能源，傳統(tǒng)燈具需要較高的維護(hù)成本和大耗電量。3、使用壽命短，金屬鹵化物燈的壽命在6000~12000小時(shí)，高壓鈉燈的壽命是12000小時(shí)，相對(duì)于LED光源的10萬小時(shí)的壽命，傳統(tǒng)光源相對(duì)遜色不少。4、顯色性低，顯色指數(shù)低會(huì)造成色彩還原能力差，容易造成視覺的誤差和判斷的誤差。5、光通量損失大，由于高壓鈉燈或金屬鹵化物燈是全空間發(fā)光的光源，需要將一個(gè)半空間的出射光線改變180°方向投向另一半空間內(nèi)。當(dāng)我們依賴反射器來完成時(shí)，反射器對(duì)光線的吸收和光源自身的擋光是不可避免的。6、高壓鈉燈燈泡啟動(dòng)時(shí)間長，在通電5～10分鐘左右，才能達(dá)到正常亮度，再次啟動(dòng)的時(shí)間間隔一般要大于5分鐘。7、高壓鈉燈發(fā)光顏色為黃色，色溫及顯像指數(shù)都比較低。太陽顯像指數(shù)為100，而高壓鈉燈的顯像指數(shù)僅為20左右（黃光）。8、鈉燈由于燈亮燈滅時(shí)溫度差異很大，若燈體不帶呼吸系統(tǒng)，發(fā)射器容易被有害氣體腐蝕而產(chǎn)生較大的光損。9、高壓鈉燈易碎，抗震能力差。2.2LED光源的優(yōu)缺點(diǎn)LED光源的優(yōu)點(diǎn)：1、高效節(jié)能，LED最大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在節(jié)能上。LED采用直流驅(qū)動(dòng)，超低功耗（單管0.03-0.06瓦），電光功率轉(zhuǎn)換接近100%。據(jù)統(tǒng)計(jì)白光LED的能耗僅為白熾燈的1/10，節(jié)能燈的1/4。節(jié)能是我們考慮使用LED光源的最主要原因，也許LED光源要比傳統(tǒng)光源昂貴，但是用一年時(shí)間的節(jié)能收回光源的投資，從而獲得5年以上的每年幾倍的節(jié)能凈收益期。2、超長壽命，LED二極管平均壽命5萬小時(shí)以上，高標(biāo)準(zhǔn)的可以達(dá)到10萬小時(shí)以上。按每天使用12小時(shí)計(jì)算，可以用100000/12/365＝年。更高一點(diǎn)的說每天使用3-5小時(shí)，它的壽命甚至比人的壽命還長。從而大大減少了維修煩惱和更換次數(shù)，節(jié)省材料成本和人工費(fèi)用，并能確保長期正常使用。3、利環(huán)保：LED是一種綠色光源，環(huán)保效益更佳。光譜中沒有紫外線和紅外線，熱量低和無頻閃，無輻射，而且廢棄物可回收，沒有污染不含汞元素，冷光源，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。4、顯色性好，光源對(duì)物體本身顏色呈現(xiàn)的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度；光源的顯色性是由顯色指數(shù)Ra來表明，正常情況下把太陽的顯色指數(shù)定為100，LED的發(fā)出的光線能量集中度很高，集中在較小的波長窗口內(nèi)，純度高。LED顯色性≥80。5、色彩豐富，LED光源可利用紅、綠、籃三基色原理，在計(jì)算機(jī)技術(shù)控制下使三種顏色具有256級(jí)灰度并任意混合，即可產(chǎn)生256×256×256＝16777216種顏色，形成不同光色的組合變化多端，實(shí)現(xiàn)豐富多彩的動(dòng)態(tài)變化效果及各種圖像。這樣的話，它就可以滿足不同客戶對(duì)個(gè)性光環(huán)境的需求。6、產(chǎn)品外觀多樣化，LED按發(fā)光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發(fā)光管、側(cè)向管、表面安裝用微型管等。LED元件的體積可以做的非常小，更加便于各種設(shè)備的布置和設(shè)計(jì)。因此可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)成各種各樣的樣式，滿足多樣化的需求。7、性能穩(wěn)定、安全可靠，LED低壓直流發(fā)光，發(fā)熱量低、無熱輻射性、冷光源、可以安全觸摸，能精確控制光型及發(fā)光角度、光色和無眩光、無頻閃，不含汞，鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。8、高新尖：與傳統(tǒng)光源單調(diào)的發(fā)光效果相比，LED光源是低壓微電子產(chǎn)品，成功融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖像處理技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)等，所以亦是數(shù)字信息化產(chǎn)品是半導(dǎo)體光電器件"高新尖"技術(shù)具有在線編程、無限升級(jí)、靈活多變的特點(diǎn)。9、LED路燈有獨(dú)特的二次光學(xué)設(shè)計(jì)，將LED路燈的光照射到所需照明的區(qū)域，進(jìn)一步提高了光照效率，以達(dá)到節(jié)能目的。LED光源存在的缺點(diǎn)：1、無論是單點(diǎn)還是多點(diǎn)光源的LED路燈都存在著散熱的問題。一盞采用250W高壓鈉燈的路燈，由于技術(shù)較成熟，散熱控制的很好。即使工作5000個(gè)小時(shí)后，光衰仍然較小，發(fā)光效率還可以達(dá)到70%。以目前的技術(shù)，相同條件下大功率LED路燈，由于散熱問題不易解決，光衰較大，發(fā)光效率會(huì)下降到30%，如果想加大電壓電流的方法提高光效，很容易造成LED芯片損毀的現(xiàn)象。2、LED路燈造價(jià)較高，不利于推廣普及。雖然有些公司通過技術(shù)手段，初步解決了LED路燈的散熱問題，但是過高的價(jià)格和過重的燈頭仍然會(huì)阻礙LED路燈的普及。并且以目前的技術(shù)，LED路燈尚未達(dá)到理論的10萬小時(shí)之久。3、LED路燈射程短。多LED的方法只能提高亮度，并不能加長光照距離。所以LED的燈，由于光線比較發(fā)散，就算采用了很好的聚光調(diào)節(jié)，其照明距離也不過幾十米。主要用于近距離的照明，性能還沒達(dá)到能完全取代白熾燈泡的地步，成本也是非常高昂的。4、大量品質(zhì)差、亮度低、壽命短的LED路燈充斥市場(chǎng)。品質(zhì)好的LED照明產(chǎn)品可能有4萬~5萬小時(shí)的壽命，品質(zhì)差的5千小時(shí)都沒有，這也是目前LED行業(yè)價(jià)格相差很大的原因。大量的偽劣產(chǎn)品影響了人們對(duì)LED路燈的認(rèn)同，影響了LED路燈的普及。5、對(duì)道路照明要求感悟不足，科學(xué)性點(diǎn)光源光學(xué)配光難點(diǎn)及對(duì)色溫在道路照明中的重要性忽略，易造成眩光，斑馬效應(yīng)和在空氣污染嚴(yán)重，下雨有霧天氣的環(huán)境中，造成燈亮地面不夠亮的現(xiàn)象。6、LED路燈模塊化的可靠性仍需加強(qiáng)，由于驅(qū)動(dòng)電路等原因也會(huì)造成LED路燈的失效。[8]~[13]

3對(duì)光場(chǎng)的要求以及光場(chǎng)模擬3.1道路照明指標(biāo)及采取的方案道路照明指標(biāo)[14]作為道路照明的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，IES、CIE以及我國的國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)道路照明均有明確的光度要求規(guī)范，其中包括以下幾點(diǎn)：1、路面的平均亮度水平道路表面的平均亮度水平影響著駕駛員的對(duì)比敏感度，因而也影響著知覺的可靠性。在道路照明中，駕駛員觀察路面障礙物的背景主要是駕駛員前方的路面。因此，障礙物本身的表面和路面之間至少要有一定的、最低限度的亮度差（對(duì)比）才能察覺到障礙物。所需的對(duì)比值取決于視角及觀察者視場(chǎng)中的亮度分布，后者決定觀察者眼睛的適應(yīng)條件。視角越大（當(dāng)觀察者至障礙物的距離不變時(shí)，障礙物越大），路面亮度越高，眼睛的對(duì)比靈敏度越高，覺察障礙物的機(jī)會(huì)也就越大。因此，提高路面平均亮度（或照度）值將有利于提高駕駛員覺察（障礙物）的可靠性。平均亮度水平也直接影響到駕駛員的視覺舒適程度。平均亮度越高（但需保持在產(chǎn)生眩光的亮度水平以下），駕駛員就越舒適。2、路面的亮度均勻性為使路面亮度均勻，道路照明設(shè)施，雖然能為路面提供良好的平均亮度，但也有可能在路面上某些區(qū)域產(chǎn)生很低的亮度，因而在這些區(qū)域里對(duì)比值低、閾值對(duì)比高。同時(shí)，視場(chǎng)中大的亮度差，也會(huì)導(dǎo)致眼睛的對(duì)比靈敏度下降和引起所謂瞬時(shí)適應(yīng)問題，以致不易覺察出在這些較暗區(qū)域里的障礙物。因此，為了使路面上各個(gè)區(qū)域里的各點(diǎn)都有足夠覺察率，就必須確定路面上最小亮度和平均亮度之間的允許差值，即亮度總均勻度，它定義為路面上最小亮度和平均亮度之比。在保證亮度總均勻度的情況下，路面仍有可能出現(xiàn)部分亮、部分暗的不舒適感覺。所以從舒適性考慮，應(yīng)限制沿車道中心線上最亮區(qū)和最暗區(qū)的亮度差，即縱向均勻度。表3-1為對(duì)道路照明燈具光度要求的推薦值。3、眩光眩光：眩光是由于光線的亮度分布不適當(dāng)或者亮度變化太大所產(chǎn)生的刺眼效應(yīng)。它分直射眩光和反射眩光兩種形式。直射眩光是指光源發(fā)出的光線直接射入人眼；反射眩光指在具有光澤的墻面、桌子、鏡子等物面上反射的光刺入人眼。強(qiáng)烈的眩光會(huì)使室內(nèi)光線不和諧，使人感到不舒適，嚴(yán)重時(shí)會(huì)覺得昏眩，甚至短暫失明。4、視覺誘導(dǎo)視覺誘導(dǎo)性不能用光度參數(shù)來表示，但它也是道路照明質(zhì)量評(píng)價(jià)的一個(gè)重要因素。照明設(shè)施應(yīng)能提供良好的誘導(dǎo)性，使駕駛員在一定距離外能夠立刻辨認(rèn)這條道路的方向，它對(duì)交通安全和舒適所起的作用猶如亮度水平或眩光控制一樣重要，它與駕駛員的視功能和視舒適兩者都有關(guān)系。表3-1對(duì)道路照明燈具的光度要求的推薦值道路總類及分類平均亮度值（cd/m2）均勻度眩光備注平均亮度/最低亮度最高亮度/最低亮度最大亮度/平均亮度高速公路A≤≤6≤告訴公路B≤≤6≤快速道路商業(yè)區(qū)≤3≤5≤混合區(qū)≤3≤5住宅區(qū)≤≤6主要道路商業(yè)區(qū)≤3≤5≤混合區(qū)≤3≤5住宅區(qū)≤≤6次要道路商業(yè)區(qū)≤3≤5≤混合區(qū)≤≤6住宅區(qū)≤4≤8其他道路商業(yè)區(qū)≤6≤10≤混合區(qū)≤6≤10住宅區(qū)≤6≤10采取的方案[15]：1、均勻性路面的均勻性，可以用選擇的LED光源做一定的調(diào)整。因?yàn)槁窡粼诼访婵v向要照射到比較大的范圍，所以應(yīng)選用發(fā)散角大的LED，從而滿足路面均勻度的要求。2、眩光控制降低眩光的常用方法有：限制燈具的仰角；增加燈具的安裝高度；選用截光型或半截光型燈具?？紤]到具體情況，按量化指標(biāo)限制眩光還有困難，故一般采用截光型和半截光型燈具來限制眩光，此時(shí)，眩光控制大都能夠滿足要求。為切實(shí)控制眩光，道路交叉口的半高桿照明不能過多，降低路面照度，并認(rèn)真調(diào)整泛光燈透射角；平直路段的燈具應(yīng)使橫向?qū)ΨQ面垂直于路面；在出現(xiàn)駝峰的坡道上，應(yīng)縮小燈具的安裝間距，并采用截光型燈具；立交橋面出現(xiàn)較陡的坡度、橋面的高度與其連接或鄰近的道路路面高度相差比較大的地方，或者為了突出大橋造型而采用一些裝飾照明的情況下，更要注意限制眩光，避免給橋上汽車駕駛員和與其連接或鄰近的道路上的駕駛員造成眩光，必要時(shí)應(yīng)采用嚴(yán)格控光燈具(可在燈具內(nèi)裝上專用的擋光板或格柵)。3、誘導(dǎo)性誘導(dǎo)性的產(chǎn)生在于統(tǒng)一和有規(guī)律變化，突變或斷裂意味著誘導(dǎo)性的終結(jié)。因此，同一道路的路燈光色須統(tǒng)一，照度均勻度要符合要求，燈桿、燈具須排列整齊，光源高度一致。同時(shí)，為了避免或減少撞桿事故，燈桿距路緣的距離應(yīng)大于0.5m。在雙側(cè)布燈路段時(shí)，宜采用對(duì)稱布置，不宜采用交錯(cuò)布置，以免降低誘導(dǎo)效果；轉(zhuǎn)彎處的燈具不得安裝在直線路段燈具的延長線上，以免司機(jī)誤認(rèn)為是道路向前延伸而導(dǎo)致事故。LED光源的光強(qiáng)分布以及光場(chǎng)模擬光源在指定方向上的一個(gè)很小的立體角元內(nèi)所包含的光通量值，除以這個(gè)立體角元，所得的商就定義為光源在此方向上的發(fā)光強(qiáng)度，以I表示，表達(dá)式為(3-1)現(xiàn)有的LED發(fā)光源是光強(qiáng)分布近似朗伯源的點(diǎn)光源，單個(gè)的功率都在1瓦左右，而道路照明往往要求有特定形狀的被照光場(chǎng)，如國家規(guī)定主干道路燈的照明區(qū)域?yàn)?0x50平米的矩形區(qū)域。因此要組成道路照明系統(tǒng)，就不能簡單地將LED組合一起，這樣形成的圓形光場(chǎng)將不利于光能的利用，無法滿足國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)整個(gè)被照區(qū)域光照度均勻性的要求。如果能夠?qū)ED芯片發(fā)出的光合理的分配道路面上面，在路面上面形成一個(gè)均勻照度的長方形區(qū)域，則可以在低的發(fā)光效率下實(shí)現(xiàn)高于高壓鈉燈的能量利用率。LED大量應(yīng)用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強(qiáng)指向性。位于法向方向光強(qiáng)最大，其與水平面交角為90。。當(dāng)偏離正法向不同θ角度，光強(qiáng)也隨之變化。發(fā)光強(qiáng)度隨著不同封裝形狀而強(qiáng)度依賴角方向．由于LED的封狀特點(diǎn)，使得LED光強(qiáng)在發(fā)光角度上顯示出很大的不均勻性，除了LED機(jī)械軸心線上的光強(qiáng)外，其他角度的光強(qiáng)也對(duì)LED的性能有很大影響，鑒于大多數(shù)LED是前向束狀發(fā)光，因此以LED機(jī)械軸為中心的半圓測(cè)量線上所有不同角度的LED光強(qiáng)值就構(gòu)成了整個(gè)的LED光強(qiáng)分布曲線，也叫配光曲線。普通LED空間光強(qiáng)分布曲線如圖3-2所示[16]。圖3-2普通LED空間光強(qiáng)分布曲線3.3LED照明系統(tǒng)的二次設(shè)計(jì)3.3.1引言對(duì)LED道路照明燈具進(jìn)行二次光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),其意義在于改變燈具的光度指標(biāo),從而改善道路照明的照明均勻度和眩光等指標(biāo)?，F(xiàn)階段單個(gè)LED的功率還達(dá)不到普通照明的要求，因此采用LED的路燈照明必須對(duì)LED進(jìn)行陣列。在LED路燈照明光學(xué)系統(tǒng)中，對(duì)地面的光照度分布有影響的因素有LED的陣列形式、LED的數(shù)量、LED之間的間距、LED路燈離地面的高度、LED路燈之間的間隔。目前，我國道路照明設(shè)計(jì)的依據(jù)是國家建設(shè)部于1992年頒布并實(shí)施的《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)CJJ45-91》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同道路類型的路面所需要達(dá)到的光照度作出了具體的定量規(guī)定。[17]3.3.2LED路燈采用的幾種形式一種是光源由多顆LED組成，以LED陣列來替代傳統(tǒng)光源，采用傳統(tǒng)燈具的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)形式，只對(duì)驅(qū)動(dòng)控制電路和散熱器件加以調(diào)整，然后套上普通燈罩，并沒有對(duì)LED的安裝角度和發(fā)散角大小加以調(diào)整或設(shè)計(jì)。用這種方法可以替換現(xiàn)有的傳統(tǒng)光源，而燈具外形不發(fā)生改變，但LED空間光分布特性與傳統(tǒng)光源差別較大，用傳統(tǒng)光源的配光方法反而會(huì)降低光的利用效率，而且LED芯片的散熱也是一個(gè)很難解決的問題。如圖3-3所示：圖3-3根據(jù)傳統(tǒng)燈具設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的LED路燈另一種是多顆LED以陣列形式組成光源，但將LED設(shè)置在弧形曲面上，以此來調(diào)整LED的角度，并將LED在矩形區(qū)域內(nèi)多列多行縱橫排列，每一列或行的LED與基座的底平面之間都有一定夾角。如圖3-4所示：圖3-4陣列分布式LED，每一列或行與底座都有一定夾角再有一種是多顆LED以陣列形式分布，并在每顆LED上加裝透鏡或反光碗改變LED的發(fā)散角，LED水平分布，且每顆LED都有相應(yīng)的透鏡與之對(duì)應(yīng)；或者同時(shí)控制LED的安裝角度和光發(fā)散角，其每一列LED所在的平面都與底面成一定的角度，且每顆LED都有相應(yīng)的透鏡與之配套，如圖3-5所示[18]：圖3-5每顆LED都有一顆透鏡與之對(duì)應(yīng)，LED陣列處在同一平面上3.3.3LED路燈設(shè)計(jì)在本節(jié)中，本文作者要設(shè)計(jì)一款LED路燈使其滿足城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求(CJJ45—91)。在LED路燈照明光學(xué)系統(tǒng)中，對(duì)地面的光照度分布有影響的因素有LED的陣列形式、LED的數(shù)量、LED之間的間距、LED路燈離地面的高度、LED路燈之間的間隔。目前現(xiàn)有的LED路燈多單純采用反光面結(jié)合LED放置方向來進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方法很難達(dá)到滿意的路面均勻度，而且會(huì)造成很多光線的浪費(fèi)，同時(shí)使燈具的外形設(shè)計(jì)受到了限制。因此本文采用LED陣列加透鏡的方式來設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)。為了盡量減少LED的使用數(shù)量，我們選取流明數(shù)高、可靠性好、且現(xiàn)在已經(jīng)能商用的LED。經(jīng)過綜合評(píng)價(jià)，選用lumileds公司的rebel系列的冷白光源作為LED路燈的光源。具體型號(hào)為LXML—PWCl—0080，在結(jié)溫250C，驅(qū)動(dòng)電流350mA時(shí)，總光通量為801m，驅(qū)動(dòng)電流驅(qū)動(dòng)電流700mA時(shí)，總光通量為1451m，發(fā)散角為1600，光強(qiáng)分布可以看似為朗伯體?？紤]到LED的光能在傳播中的損耗，以及溫度對(duì)LED光轉(zhuǎn)化效率的影響，我們將LED的顆數(shù)設(shè)為60顆。接下來要考慮的問題是如何將光能均勻地分布于所要照明的路面上?，F(xiàn)用ASAP模擬單顆LED的路面照明效果，如圖3-6所示：圖3-6單顆LED在路燈所處位置照明效果從圖中可以發(fā)現(xiàn)，如果將LED水平向下放置照射路面，照明面積難以覆蓋整個(gè)路面；由于路燈位置分布非路面中心點(diǎn)，而離一邊只有1米距離，光能一部分照射到路面外面，能量浪費(fèi)嚴(yán)重；且其發(fā)散角較大，均勻無法達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。因此我們必須對(duì)LED進(jìn)行配光設(shè)計(jì)，使其滿足照明需要。出于成本控制和路燈可擴(kuò)展性等因素的考慮，我們采用區(qū)域分割法對(duì)LED路燈進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。具體方案如下：將60顆LED分為10列，每列6顆，并將路面進(jìn)行分割，讓每一列LED負(fù)責(zé)一片路面區(qū)域，通過調(diào)整這10列LED的出射光角度，照亮與之相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，通過疊加實(shí)現(xiàn)道路的均勻照明。由于LED發(fā)散角太大，尤其難以滿足路面長度方向較遠(yuǎn)處的照明，因此我們用目前使用較為廣泛的LED聚光透鏡如圖3-7對(duì)光線進(jìn)行準(zhǔn)直，減小其發(fā)散角的大小使其滿足局部照明的要求。利用光線在透鏡側(cè)面的全反射和透鏡端面的折射來控制LED的發(fā)散角，利用全反射原理，使光線在反射過程中能量不損耗，最終透光率能達(dá)到93％。圖3-7LED聚光透鏡通過選擇不同發(fā)散角的LED透鏡，利用ASAP仿真軟件，經(jīng)過多次疊加、優(yōu)化之后將路面照明區(qū)域填滿，最終得到的結(jié)果如圖3-8所示[18]：圖3-8最終優(yōu)化結(jié)果從上面的圖文，我們可以得知路燈照度分布均勻，達(dá)到了我們的預(yù)期目標(biāo)，達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，我們可以得知燈具的配光類型、布燈方式與安裝高度、間距的關(guān)系如表3-9所示：表3-9燈具的配光類型、布燈方式與安裝高度、間距的關(guān)系燈具配光類型截光型半截光型非截光型布燈方式安裝高度H(m)間距S(m)安裝高度H(m)間距S(m)安裝高度H(m)間距S(m)單側(cè)布置H≥WeffS≤3HS≤4H交錯(cuò)布置S≤3HS≤4H對(duì)稱布置S≤3HS≤4H注：Weff為路面有效寬度(m)因?yàn)橐刂蒲９庑?yīng)，LED路燈一般采用截光型和半截光型。采用普通截光型路燈按平面對(duì)稱式配置燈具的高桿燈，其間距和高度之比以3∶1為宜，不應(yīng)超過4∶1。目前傳統(tǒng)的路燈大多不能完全的照亮整個(gè)道路，在路面上會(huì)連續(xù)反復(fù)出現(xiàn)一系列亮與暗的橫帶,稱之為“斑馬效應(yīng)”，如圖3-10所示：圖3-10傳統(tǒng)路燈路面照射效果通過我們一系列的設(shè)計(jì)與調(diào)整，使用設(shè)計(jì)的LED路燈，我們可以得到更均勻，更舒適的照明環(huán)境，從而提高道路的照明質(zhì)量，如圖3-11所示：圖3-11LED路燈路面照射效果4總結(jié)本文研究的出發(fā)點(diǎn)是LED照明系統(tǒng)，主要工作致力于LED光源與傳統(tǒng)光源的比較以及LED光源的光強(qiáng)和廣場(chǎng)的模擬,研究工作如下：在本課題的研究過程中，查閱了大量資料，首先弄清楚了LED光源的優(yōu)缺點(diǎn)。在查閱傳統(tǒng)光源的優(yōu)缺點(diǎn)的資料時(shí)遇到了一定困難，由于現(xiàn)在基本上都放棄了傳統(tǒng)光源的使用，相關(guān)的資料比較難找，后來在老師和同學(xué)的幫助下，通過各種途徑，收集到了充足的資料。由于畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)間比較倉促，本次設(shè)計(jì)本文作者并沒有掌握使用ASAP這個(gè)仿真軟件，借鑒了他人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這個(gè)也是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)一個(gè)遺憾的地方。在優(yōu)化LED光源與透鏡夾角和方向的時(shí)候，沒有給出詳細(xì)的計(jì)算過程跟優(yōu)化的參數(shù)，主要對(duì)最終的優(yōu)化結(jié)果做了簡單的分析。LED照明系統(tǒng)主要跟單顆LED光源的光效、光源前面的透鏡以及來年跟著之間的位置有關(guān)。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)期間查閱資料，自主的學(xué)習(xí)與分析，對(duì)此有了一定程度的認(rèn)識(shí)。最后就是整理論文了，對(duì)先前做的所有的工作進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)。經(jīng)過三個(gè)多月的努力，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成了。在這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，讓我學(xué)了很多沒有接觸過的新知識(shí)，同時(shí)很好地把大學(xué)期間學(xué)到的有關(guān)專業(yè)知識(shí)系統(tǒng)地復(fù)習(xí)了一下，覺得自己學(xué)到的知識(shí)在實(shí)際生活中運(yùn)用還是有一點(diǎn)距離的。通過這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)自己以前對(duì)一些事物的看法有點(diǎn)太片面，單純的從某一方面去考慮問題。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)自己還有很多不足的地方需要改進(jìn)，還有很多需要學(xué)習(xí)進(jìn)步的地方，在以后的人生中需要不斷地完善自己。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。在設(shè)計(jì)過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響，而且大大提高了分析問題的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，這也意味大學(xué)的學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束，但是我會(huì)在以后的工作道路上繼續(xù)學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)，努力拼搏，在光學(xué)的道路上能夠前進(jìn)得更遠(yuǎn)。

致謝本課題在選題及研究過程中得到楊振剛老師的悉心指導(dǎo)，楊老師平日里工作繁忙，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，從查閱資料，研究內(nèi)容的確定和修改，后期詳細(xì)批閱等，楊老師多次詢問畢業(yè)設(shè)