测量LED照明的特性

摘要：由于led的快速发展，LED的特性测量问题日益受到国际社会的关注，普通照明用大功率LED更是被关注的焦点，文章主要阐述普通照明用LED光源的特性，介绍LED光源的平均法向光强、绝对光强、光强分布、光通量和颜色的物理测量方法和仪器，所述物理测量方法和仪器均基于最新CIE出版物，文章给出了典型的完整的复现性良好的测试报告。

还对现有CIE出版物在普通照明用LED光源的测量中存在的问题进行了讨论，并提出了新的建议。

1、概述

近年来LED的研发、生产和应用飞速发展。蓝光LED的发明使得LED应用于普通照明领域成为了可能，伴随着高效、大功率LED技术的不断突破，LED将最有可能成为本世纪应用最广泛的照明光源。

中国政府和国际社会均对LED的发展给予了极大关注。国际照明委员会（CIE）第二分部即光和辐射测量分部（Division2：Measurement of Light and Radiation）专门针对LED的特性测量问题，已举行了两次由全球最著名的、最有代表性的专家参加的研讨会议，并取得了一定的成果。但LED的物理测量问题，至今尚未全部解决。20xx年6月CIE在日本再次举行CIE LED专家研讨会（CIE LED Expert Symposium），进一步探讨了LED的特性测量问题。

对于LED的特性，因其应用领域的不同需进一步统一认识，半导体行业和照明行业对LED的认识存在着明显的差别，用于指示（包括显示）目的LED的特性和用于照明目的LED的特性也有所不同，相应的物理测量方法和质量评估方法也各不相同，使用的仪器也存在着一定的差别，各实验室的测试条件也不尽相同。

由于上述原因，各实验室对同一LED给出不同的测量结果是经常发生的事。本文主要介绍照明LED的特性测量，介绍CIE在LED测量方面已取得的成果、CIE第二分部（Division2）专家较为普遍认同的物理测量方法、以及基于现有CIE技术文件的专用测量仪器，并给出了典型的普通照明用LED光源的较为完整的物理测量报告。

2、普通照明用LED光源及其特性

普通照明LED，俗称“白光”LED。目前实现白光LED主要有两条途径：第一，用LED发出的蓝光激发荧光粉，再与荧光粉发出的“黄光”进行混光，最终得到白光；第二，用红、、绿、蓝三种不同的LED进接混光，得到白光。

普通照明用LED光源的典型结构示意图如图1-3所示。

无论是单个封装好的LED还是由LED串组成的LED光源，它都不是物理学上最容易理解和描述的点光源或朗伯光源，它是由多个等效点光源所组成的分散的点光源（象：虚象和实象均存在，一般多数为虚象）的集合。LED光源所对应的特定的点光源集合有着共同的特征：

（1）、在近场的不同距离下，其光强分布是不相同的；

（2）、在某一特定角度上（如法向），其近场发光强度不是恒定的，因而，照度随距离平方成反比定律不成立；

（3）、由于LED芯片与封装透镜的位置敏感性和LED芯片的不对称性，LED光源在不同的C平面上有不同的光强分布曲线；

（4）、目前已进入工业化生产的“白光”LED，其光谱混合是不均匀的，其颜色分布像光强分布曲线一样，是随距离和角度的不同而发生变化的，尤其是pcLED，往往存在一个色温很高的蓝色色中心。

3、普通照明用LED光源的测量方法和仪器

正是由于普通照明用LED光源存在着上述特性，其测量和品质评价就需要特定的方法和专用的设备仪器来解决。CIE制定了一些LED测量方面的标准，一些标准还在制定之中，部分标准将成为CIE/ISO以及CIE/IEC的联合标准，以统一国际间LED测量问题。中国虽然只有为数不多的科技工作者在从事LED测量工作，但中国的LED测量方法和仪器一直在跟踪世界最新动态，并受到了CIE的重视。下面逐个介绍照明LED主要特性的物理测量方法与仪器。[Page]

3．1 平均法向光强的测量

平均法向光强是最常用的LED质量指标，CIE Publication No.127-1997给予了明确的规定和描述，图4明确表达了基本的测量方法，图5为基于CIE Publication No.127的测量仪器，该仪器除能同时实现CIE Condition A、B外，还能让被测LED转动角度，实现在不同角度下测量LED平均光强。

3．2 平均光强分布曲线和绝对光强分布曲线的测量

事实上只要让图4中的LED以前面的顶点为中心沿θ角转动起来，在不同θ角下记录照度值，再根据距离平方反比定律计算出平均光强，那么所得的曲线即分别为在CIE Condition A、B下的平均光强分布曲线。

尽管上文已表述了LED不符合点光源的特性，不满足距离平方反比定律，但当距离足够大时，如：LED光源所对应的特定的点光源集合（象）的10倍，则距离平方反比定律又恢复为符合，由于此时探测器口径所形成的张角已足够小，“平均”一词已不再重要，并可以加上“绝对”一词，但一般可省略。图6是某1W照明LED分别在CIE Condition A、B下的光强分布曲线。

特别需要注意的是，在测试LED平均和绝对光强分布曲线时一定要注意被测平面的选取，为了方便起见，本文定义LED引角中心所决定的平面为CO°平面，并在此平面上测量光强随θ角分布情况。在远距离（点光源条件下）的测试可能会涉及到较高灵敏度的宽线性动态范围的光照度计，这是相对较为昂贵的仪器，测试环境要求也相对较高。相关测试仪器如图7所示。

此外，由于LED光源是一种窄带光谱的光源，根据CIE Publication No.127的要求，对探测器进行按式（1）所述的SCF修正是必要的，但是实验表明，优质V（λ）探测器在对普通照明用LED光源测量时，即使不修正也能得到满意的结果，其不确定度可以做到±3%甚至更好。

3．3 光通量和颜色的测量

由于普通照明用LED光源所发出的光的光谱存在不均匀性，在测量LED颜色特性时应进行充分的混光，否则测量结果无法统一，因此对普通照明用LED光源而言，所测得的颜色严格地讲应是总平均值（totalaverage color）在积分球中测量光通量的同时测量颜色是较为合理的。中国在LED光通量和颜色测量方面有其独到之处，除遵守CIE一般的关于光和颜色测量出版物的规定外，中国在光通量和颜色测量时，还将积分法和分光法有机结合（简称“结合法”），这一创造性技术已申请专利。

本系统按CIE Publication No.84-1989的要求用Si-V（λ）探测器测量光通量，这种方法测量光通量有很好的宽线性动态范围。按CIE Publication No.63-1984用由单色仪和PMT构成的分光法测量照明LED的光谱功率分布，然后用CIE Publication No.127-1997中所述的SCF修正方法，实时自动较准Si- V（λ）探测器测量光通量系统。其修正系数为： ∫780380PTe（λ）?V（λ）?dV ∫ 780380Pse（λ）? R（λ）?dλ SFC = ——------—————————— ? ————---------———————— ∫780380PTe（λ）?R（λ）?dV ∫ 780380Pse（λ）?V（λ）?dλ

（1）式中：PTe（λ）为被测光源的相对光谱功率，文章中应为普通照明用LED光源； Pse（λ）为标准灯（通常为白炽灯或卤钨灯）的相对光谱功率；

R（λ）为Si-V（λ）探测器相对光谱灵敏度，包括积分球等效光谱透过率；[Page] V（λ）为CIE光谱光视效率函数；

SCF为光谱失配校正系数。

在此系统中SCF的校正是十分容易的，因此光通量测量有极好的动态范围和测量精度，用单一标准灯实现对系统的高精度校正成为了可能。同时，系统又具备了与普通光谱法在小动态范围内（要求被测灯与标准灯光通量基本接近的苛刻条件）相同的异谱误差。如图9所示，结合法比普通光谱法的线性动态范围高5个数量组为由于在普通光谱法中，至少还要留出3个数量级的动态范围来扫描光谱相对功率分布，所以用标准灯定标好的普通光谱法的精度线必范围仅为1-2个数量级，是极其狭窄的。

由于照明LED的功率不断增大，单个LED和LED串均需测量（要求仪器动态范围大），而且LED的光谱分布又较为特殊，因此，结合法测量普通照明用LED光源的光通量和颜色的优势更为明显。

4、讨论

4．1 关于CIE Condition A和B

一般常用照度计的测量量程的最小值为0.1 lx，在100mm和316mm处所对应的光强分别为1mcd和10mcd，而以前的小功率LED的光强一般在1-2000mcd之间。因此，CIE Publication No.127-1997制定 Condition A和Condition B十分有利于LED法向光强的简便测量。

如今照明大功率LED不断被开发应用，照明用单个LED的功率已从几十mW向几W发展，提高了两个数量级，且发光效率也在不断提高，因此，LED平均法向光强有望提高2-3个数量级，这意味着1-1000cd的LED将更为常见。假如是这样，建议将CIE Condition A

和B中的测量距离改为1m或3.16m，这一改动不仅普通的照明度计可以方便地测量照明LED，而且测量对照度计的孔径（灵敏面积）也不必作出严格的限定，测得的光强也不再是近场光强，距离平方反比定律因此又能恢复使用，测得的光强可改“平均”为“绝对”法向光强，测量结果对测试仪器的依赖性进一步减弱，更有利于国际间在工业和商贸中对LED的品质评定。

4．2 照明LED测量仪器的定标和标准灯

用LED作为二次标准光源对仪器进行定标，还是用常规的白炽灯类的标准灯对仪器进行定标，是一直被讨论的问题。作者认为条件较好的实验室应以白炽灯类的标准灯来对仪器进行定标，尤其是能精确测试SCF值的实验室，因为白炽灯类的标准灯有更好的稳定性和复现性。但对于条件较差的工厂和车间，用已被精确测定的同类型的LED来定标仪器，是一种非常实用的方法，使有时一定要注意LED的几何条件和环境温度。

4．3 测量LED光强时的定位基准

在测量光强和光强分布时，LED光源的定位基准十分重要，CIE No.127-1997虽已明确以机械轴心和前部顶点作为定位基准，但是由于LED光源的尺寸较小，实际操作时还是会导致由于定位误差而引起的较大测量误差，因此，是否以峰值光强轴心为参照定位基准更好，是值得进一步探讨的问题。

4．4 LED测试的环境条件

在LED测试中，除供电应用恒流方式外，几何条件和环境温度条件显得极为重要。如果在测量光强分布曲线时，不注意被测量的平面，或虽是同一平面但机械轴心对准出了问题，那么出现±20%甚至更大的误差是完全有可能的。

此外，LED光源是一个温度依赖性较强的光源，温度的上升可能会导致LED发光峰值波长的红移和光输出的快速衰减，因此，在LED测试中保持对环境温度的有效控制（如用恒温积分球），或对LED自身温度的监测是十分有意义的。这也是确保测量结果能够复现的最重要的条件之一。

5、结论

用上述测量方法和仪器对普通照明用LED的光源进行反复测试可实现良好的稳定性和复现性。这表明：在CIE现有文件的框架下，根据LED的独特特性，少量修正和调整某些CIE测量方法和条件，并进一步制订相应的CIE推荐方法，其普通照明用LED的特性测量问题是完全可以解决的。

第二篇：LED照明光学系统设计及照度分布测量研究

北京工业大学

硕士学位论文

LED照明光学系统设计及照度分布测量研究

姓名：尚守锦

申请学位级别：硕士

专业：微电子学与固体电子学

指导教师：陈建新

20090501

摘要

摘要

在ＬＥＤ道路照明的推广应用中，光学设计成为亟待解决的关键问题。围绕非成像光学系统的两大核心问题出光效率和光照度，开展ＬＥＤ照明光学系统的研究。

本文针对ＬＥＤ路灯的光学设计进行了深入研究。取得的主要创新成果如下：

（１）根据ＬＥＤ芯片发光的理论模型，利用光学机构仿真软件Ｔｒａｃｅｐｒｏ对ＬＥＤ芯片进行光学建模，即ＬＥＤ的一次光学设计，光线追迹表明所建模型的光强分布与实验值吻合较好，对已有的ＬＥＤ光源阵列进行了模拟实验，验证和完善ＬＥＤ光源的详细参数，并对影响一次光学设计的关键参数进行了分析。

（２）对自由曲面设计方法进行了深入研究，为ＬＥＤ路灯的二次光学设计奠定了理论基础，并理论推导出自由曲面公式。

（３）根据道路照明的技术要求、对ＬＥＤ路灯二次光学设计方法进行了研究。其中二次光学设计包括反光碗设计和阵列设计。反光碗设计利用微分法设计了出光角度为４５０的自由曲面反光碗；阵列设计采用区域分割法的思想进行了设计。

本文根据非成像光学设计理论，光学效果通过理论计算、Ｔｒａｃｅｐｒｏ软件仿真和实际测量均达到了道路照明标准中第二级别主干路的要求。

实践证明，本文开发的ＬＥＤ路灯，具有良好配光效果。解决了限制ＬＥＤ路灯推广应用中的光学难题，具有良好的市场推广价值。关键词：ＬＥＤ照明；非成像光学；光学系统设计；照度分布

北京－Ｔ业人学Ｔ学硕Ｉ：学位论文

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＩｎｔｈｅｐｏｐｕｌａｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＬＥＤｒｏａｄｌｉｇｈｔｉｎｇ，ｏｐｔｉｃｓｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｉｓｂｅｃｏｍｉｎｇｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｐｉｖｏｔａｌｐｒｏｂｌｅｍ．ＴｈｅｍａｉｎｔｗｏａｓｐｅｃｔｓｏｆＬＥＤｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ，ａ托ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｂｙｌｉｇｈｔｉｎｇｏｐｔｉｃｓｄｅｓｉｇｎ．

Ｔｈｅ

ｏｐｔｉｃＭｐａｐｅｒｈａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｈｅｔｈｏｒｏｕｇｈｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｖｉｅｗｏｆｔｈｅＬＥＤｒｏａｄｌｉｇｈｔｔｈｅｍａｉｎｉｎｎｏｖａｔｉｏｎａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｉｓａｓｆｏｌｌｏｗｓ：ｄｅｓｉｇｎ．Ｏｂｔａｉｎｓ

（１）Ｔｈｅ

ａｃｃｏｒｄｉｎｇｏｐｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆＷｈｉｔｅＬＥＤｉｓｃｒｅａｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｎｇｓｏｆｉｗａｒｏｔｏｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆＬＥＤｃｈｉｐ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙ

ｔｈａｔｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅＬＥＤｏｐｔｉｃａｌ

ＬＥＤ．ＴｈｅｐａｐｅｒｈａｓｃａｒｒｉｅｄｍｏｄｅｌｔｈｅｉｓｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆｔｒｕｅｏｎｍｏｄｅｌｔｏｔｈｅＬＥＤｌａｍｐ－ｈｏｕｓｅ，ｃｏｎｆｉｒｍｓａｎｄ

ｔｏｃｏｎｓｕｍｍａｔｅｓｔｈｅＬＥＤｌａｍｐ－ｈｏｕｓｅｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒａｎｄ

ｄｅｓｉｇｎｔｈｅｅｓｓｅｎｔｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｔｏｃａｒｒｙ０１１ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓ．ａｆｆｅｃｔａｎｏｐｔｉｃａｌ

（２）Ｔｈｅ

ｉｎｐａｐｅｒｈａｓｄｅｅｐｌｙｓｔｕｄｉｅｄｆｒｃｅｆｏｒｍｓｕｒｆａｃ宅ｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓ；Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｅｔｓｇｏｏｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｄｅｓｉｇｎａｂｏｕｔｔｈｅｓｅｃｏｎｄｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｃｏｍｅｔｏａｎｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｔｈｅｏｒｙ．

（３）Ｔｈｅｐａｐｅｒａｃｃｏｒｄｉｎｇ

ｄｅｓｉｇｎｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｓｅｃｏｎｄｔｏｔｈｅｒｏａｄｌｉｇｈｔｉｎｇｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅＬＥＤｒｏａｄｌａｍｐｓｅｃｏｎｄｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｈａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｉｎｃｌｕｄｅｓｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｃｕｐｄｅｓｉｇｎａｎｄａｒｒａｙｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅｒｅｆｌｅａｉｏｎｃｕｐｏｆ４５０ｓｈｉｎｅａｎｇｌｅｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｅｑｕａｔｉｏｎ；Ａｒｒａｙｄｅｓｉｇｎｉｓｕｓｅｄｔｈｅｒｃｇｉｏｎｄｉｖｉｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．

ｏｐｔｉｃｓｅｆｆｅｃｔｈａｓＴｈｅ

ｔｈｒｏｕｇｈ

ｒｏｕｔｅＬＥＤｓｔｒｅｅｔｌａｍｐｓａｃｈｉｅｖｅｄｔｈｅｒｏａｄｌｉｇｈｔｉｎｇｓｔａｎｄａｒｄｒａｎｋｈｏｓｔｍａｉｎｔｈｅＴＰｓｏｆｔｗａｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅａｃｔｕａｌｓｕｒｖｅｙｔｈｅｓｅｃｏｎｄｄｅｍａｎｄ．

ｉｓＴｈｅｐｒａｃｔｉｃｅ

ａｎｄｐｒｏｖｅｄ，ｔｈｅＬＥＤｒｏａｄｌａｍｐｓ，ｈａｖｅｔｈｅ９００ｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｌｉｇｈｔｅｆｆｅｃｔ．ＬｉｍｉｔｉｎｇｈａｓｂｅｅｎｒｅｓｏｌｖｅｄｔｈｅＬＥＤｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｐｒｏｍｏｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｐｔｉｃｓｐｒｏｂｌｅｍｈａｓｔｈｅｇｏｏｄｍａｒｋｅｔｉｎ臼ｏｄｕｃｔｉｏｎｖａｌｕｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＥＤｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ；Ｎｏｎ－ｉｍａｇｉｎｇｏｐｔｉｃｓ；Ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎ；ＬｕｍｉｎｏｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎＩＩ

独创性声明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它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。

签名：

关于论文使用授权的说明

本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

（保密的论文在解密后应遵守此规定）

签名：师签名：日期：缉垒！≯

第ｌ市绪论

第１章绪论

１．１半导体照明产业概述

１．１．１ＬＥＤ发展历史回顾

１８７９年，托马斯?Ａ?爱迪生发明了世界上第一盏白炽灯，从此人类照明进入一个新时代。照明光源经过火光照明、白炽灯、荧光灯，气体灯以后出现了第四代新型绿色固态冷光源．白光ＬＥＤ，由于其具有安全节能、长寿命、绿色环保、色彩丰富、抗震抗冲击、微型化、响应速度快等显著优点，将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一飞跃，其经济和社会意义巨大【ｌ】。ＬＥＤ照明有着相当巨大的应用前景，ＬＥＤ被广泛应用于室内外照明、交通信号显示、背景显示、汽车照明等多个领域。随着半导体照明工程的广泛应用，对大功率ＬＥＤ应用于照明的研究和设计也凸显了它的重要意义【２１。

２０世纪６０年代第一只发光二极管问世以来，ＬＥＤ经历了４０多年的发展。早期所用的材料ＧａＡｓＰ发红光（６５０ｒｉｍ），在驱动电流２０ｍＡ时，光通量只有千分之几流明，发光效率只有０．１ｌｒｎ／Ｗ，只能做指示灯。到了７０年代，材料研究的不断深入，引入了ＡＩＧａＩｎＰ材料体系，使ＬＥＤ产生绿光（５５５ｎｍ）、黄光（５９０ｒｉｍ）和橙光（６１０ｒｉｍ），光效提高到了ｌｌｍ／Ｗ，应用进入到了显示领域。８０年代后，出现了ＧａＡｌＡｓ的ＬＥＤ，其封装技术也逐步提高，红、黄色ＬＥＤ光效可达１０ｌｍ／Ｗ。９０年代初，发红光、黄光的ＧａＡＩＩｎＰ和发绿光、蓝光的ＧａＩｎＮ两种新材料开发成功，使ＬＥＤ光效得到大幅度提高。１９９３年日本日亚化学公司率先在蓝色氮化稼ＬＥＤ技术上突破并很快产业化，进而于１９９６年实现白光ＬＥＤ之后，１９９８年推向市场，为ＬＥＤ找到了照明的新舞台。白光ＬＥＤ得到了迅速的发展，并在普通照明领域显示出良好的应用前剽３１。

面对半导体照明的巨大商机和令人鼓舞的发展前景，世界各国纷纷行动，日本、美国、欧盟、韩国等近年来相继投入巨资，推出国家半导体照明计划。

日本于１９９８年在世界上率先开展“２１世纪照明”计划，旨在通过使用长寿命、更薄更轻的ＧａＮ高效蓝光和紫外ＬＥＤ技术使照明的能量效率提高到传统荧光灯的两倍，减少Ｃ０２的产生。该计划由日本金属研发中心和新能源产业技术综合开发机构发起和组织，参与机构包括４所大学、１３家公司和一个协会。整个计划的财政预算为６０亿日元。从１９９８．２００２年，是耗资５０亿日元的第一期目标，目前已经完成。现在，日本正在实施第二期计划，计划到２０１０年，ＬＥＤ的

北京Ｔｑｋ人学Ｔ学硕Ｉ’学位论文

发光效率达到１２０１ｍ／Ｗ［４１。

美国“半导体照明国家研究项目＂由美国能源部制定，计划用１０年时间，耗资５亿美元开发半导体照明，参加者包括１３个国家重点实验室、公司和大学。实施该计划的目的是为了使美国在未来照明光源市场竞争中，领先于日本、欧洲及韩国等竞争者。计划的时间节点是，２００２年２０ｈｎ用，２００７年７５娜，２０１２年１５０蜊．

欧盟的“彩虹计划＂在２０００年７月启动，委托６个大公司、２所大学，通过欧盟的补助金来推广白光发光二极管的应用。希望通过应用半导体照明实现高效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光的目标。

韩国“ＧａＮ半导体开发计划＂从２０００年至２００８年，由政府投入４．７２亿美元，企业投入７．３６亿美元。研究项目包括以ＧａＮ为研究材料的白光ＬＥＤ，蓝、绿光Ｌａｓｅ：Ｄｉｏｄｅ及高功率电子组件ＨＥＭＴ（ＨＲｇｈ－ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）－一大领域，分别由心Ｋｎｏｗｌｅ《ｌｇｅＯｎ、Ｓａｍｓｕｎｇ公司及ＬＧ公司负责进度管理。希望到２００８年，ＬＥＤ发光效率达１００１ｍ／Ｗ。

在我国，ＬＥＤ产业起步于上世纪７０年代。经过３０多年的发展，我国ＬＥＤ产业己初步形成了包括ＬＥＤ外延片的生产、芯片制备、封装以及产品应用在内的较为完整的产业链。我国十分重视半导体照明这一新兴产业。２００３年６月，科技部联合信息产业部、教育部、建设部、中科院、轻工业联合会等单位，成立了国家半导体照明工程协调领导小组，紧急启动了国家半导体照明工程，旨在节约照明用电，减少资源消耗，保护环境，实现人与自然的和谐发展。包括宁波、厦门、扬州等多个城市都相继建立或即将建立半导体照明产业化基地，并将其作为重点发展的新兴支柱产业，大力发展半导体照明技术。

１．１．２ＬＥＤ应用于道路照明亟需解决的问题

灯具配光性能（空间光分布）是决定道路照明质量的关键因素之一，在ＬＥＤ灯具的研发和应用过程中最主要遇到的问题就是光学设计。

道路光学系统设计包括两个方面：一是ＬＥＤ的管壳设计即封装设计，即一次光学设计，二是ＬＥＤ的外部光学系统设计，即二次光学设计。

ＬＥＤ芯片只是一块很小的固体，它的两个电极也非常地小，加入电流后它才会发光。在制作工艺上，除了要对ＬＥＤ芯片的两个电极进行焊接，从而引出正、负电极之外，同时还要对ＬＥＤ芯片和两个电极进行保护。此外，还需要将ＬＥＤ芯片发出的光尽可能多地引出ＬＥＤ，并达到一定的照明设计要求（发光强度、

均匀性等要求）。因此，这就需要对ＬＥＤ芯片进行封装。在封装的过程中，为了能够最高效率地输出可见光的功能，需要进行一次光学设计，合适选择封装材料的形状、结构和材料，

由于大部分ＬＥＤ光源的辐射角分布为１ｌｏｏ～１２００的郎伯分布ｌ”，如果没有经过二次光学设计，照在地面上的光型将会为面积较大的圆型的光斑，约５０％的光散落到马路之外没有被利用起来，而且会对远处的车辆或行人产生眩光，与路面照明的要求不符，如图１．１０）所示。《城市道路照明设计标准》要求路灯的配光为长方形的光斑，将几乎所有的光都分布在路面上，如图ｌ－１（ｂｌ所示。对ＬＥＤ进行二次光学设计，一方面可以提高光的利用效率，另一方面还可以避免产生眩光。

一置置墨

符合城市道路照明设计标准的光型

图ｌ?１未经过配光（町及经过配光的路灯啷

Ｆｉ９１－１Ｎｏｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇａｏｆｔｈｅｓｔｌｃｃｔｌａｍｐ（ａ）ａｎｄｏｐ６ｃｍｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓ口∞Ｉｌａｍｐａｆｔｅｒ（ｂ）

为了达到均匀照明和特殊照明样式的目的和要求，成像光学和传统的透镜设计方法已经不能适应于ＬＥＤＪｌｌ用照明的特殊要求，非成像光学以及相关的自由曲面设计方法以其特有的优势，开始在ＬＥＤ照明设计中发挥巨大的作用１６Ｉ。１．２照明设计研究方法的发展

ＬＥＤ绿色照明工程的整体构架如图１．２所示，从图中可以看出，ＬＥＤ照明灯具的相关设计取决于ＬＥＤ芯片的封装材料、结构和工艺。

ＬＥＤ照明灯具设计包括光学设计、散热设计、电路设计和机械设计等方面，其中最主要的是光学设计，本课题主要讨论的就是光学设计中的一次光学设计和

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二次光学设计方面。如图１－３所示。

图ｌ－２ＬＥＤ绿色照明工程的整体构架

Ｆｉｇ．１－２ＴｈｅｗｈｏｌｅｔｒｕｓｓｏｆＬＥＤＧｒｅｅｎｌｉｇｈｔｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔ

＿囤Ｉ＿圈回

●

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图１－３ＬＥＤ照明光学设计图

Ｆｉｇ．１?３ＬＥＤｉｌｌｕｍｉｎａｎｃｅｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｐｌｏｔ

ＬＥＤ的光学设计包括两个方面：一次配光设计和二次配光设计，其中一次配光设计主要从出光效率、光通量和光强分布考虑，如图ｌ－４所示。二次配光设计包括遮光板、反射镜和透镜的设计。如图１．５所示。

图１４一次配光设计图

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次配光设计

Ｆｉｇ．１?５Ｔｗｉｃｅｏｐａ，口ａｌｄ咖ｐｌｏｔ

传统的照明设计一般是通过实测进行的，实测法虽然比较准确，但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。特别是随着光源的种类变得越来越复杂，尤其是诸如ＬＥＤ等新兴光源的出现，使得传统的照明设计方法已经不能满足企业高速发展的需要。

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ＬＥＤ照明设计方法，能更有效地进行ＬＥＤ照明设计．从而推动ＬＥＤ应用于照明的发展。计算机编程使得ＬＥＤ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，同传统的照图１－５二次配光设计图

北京丁业人学Ｔ学硕Ｉｊ学位论文

明设计方法相比，提高了设计的速度、准确性和经济效益［７１。

１．３本论文选题依据及各章主要内容

半导体ＬＥＤ照明取代传统照明光源技术，亟需解决的问题是提高其光能利用率，对ＬＥＤ进行有效光学设计是一条行之有效的途径，这也是本论文的意义所在。

本课题主要针对ＬＥＤ路灯光学系统和灯具照度测量进行了探索性的研究，主要内容如下：

第一章绪论主要是从半导体照明产业发展历史入手，进一步分析ＬＥＤ应用于道路照明亟需解决的问题和照明设计方法的发展。

第二章介绍了功白光ＬＥＤ原理和非成像光学理论基础，首先介绍了ＬＥＤ的基本结构和发光原理，自光ＬＥＤ的实现方法以及ＬＥＤ道路照明灯具设计理论初步，其次着重介绍了非对称自由曲面的光学设计方法。

第三章介绍了ＬＥＤ照明灯具光源的仿真研究，主要从单芯片和多芯片阵列结构的模拟入手，分析和研究光源材料、结构和光学参数方面对出光效率的影响以及光源间距对照度分布的影响。最后通过仿真展现出的规律，提出产生的原因和一定的解决办法，为第四章ＬＥＤ路灯的二次光学设计打下理论基础。

第四章主要从道路照明的技术要求、ＬＥＤ路灯二次光学设计方法的优选、ＬＥＤ路灯二次光学设计进行了研究。具体对ＬＥＤ路灯光学系统设计及照度分布进行研究和测量，其中二次光学设计包括反光碗设计和阵列设计，反光碗设计利用微分法设计了出光角度为４５０的自由曲面的反光碗，阵列设计使用区域分割法的思想，采用九点采样布点方法对阵列进行初步设计，最后通过对白光ＬＥＤ和高压钠灯比较得出ＬＥＤ的优势所在。

第五章对全文进行总结，使人们对半导体绿色照明工程有个全面和系统的了解。

第２章白光ＬＥＤ原理和非成像光学理论基础

２．１白光ＬＥＤ基础理论

拍…斩§图２－１白光ＬＥＤ结构图图２－２封装后的ＬＥＤ图

Ｆｉ９２—１Ｗｈｉｔｅｌｉ，曲ｔＬＥＤｇｎＫｍＲｃｈａｎ

图２－３为ｕＩＤ的发光原理。ｐ＿ｎ结电子注入发光，图２４表示ｐ－ｎ结处于热平衡时的状态－ｐ区和ｎ区的费米能级处于同一位置，ｐ．ｎ结中没有静电流通过；图２—５表示当加正向偏置时势垒下降，ｐ区和ｎ区的多数载流子向对方扩散。并且大量电子向Ｐ区扩散，构成对Ｐ区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放。这就是”１结发光的原理州。

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Ｎ区：结区

图２－３ＬＥＤ发光原理图

Ｆｉｇ．２—３ＬＥＤｍｕｍｉｎａｔｉｎｇｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍ

图２４未加偏置电压前ｐ－ｎ结状态

Ｆｉｇ．２＿４Ｅｎｅｒｇｙ－ｂａｎｄｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｒｍａｌｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｐ－ｎｊｕｎｃｔｉｏｎ

图２－５正向偏置下ｐ－ｎ结能带图

Ｆｉｇ．２?５Ｅｎｅｒｇｙ－ｂａｎｄｄｉａｇｒａｍｏｆｆｏｒｗａｒｄ－ｂｉａｓｅｄｐ－－ｎｊｕｎｃｔｉｏｎ

２．１．２白光ＬＥＤ的实现方法

目前，ＬＥＤ实现白光的方法主要有三种（如表２．１所示）：（１）通过ＬＥＤ红绿蓝三基色多芯片组合发光合成白光。

优点：效率高、色温可控、显色性较好。．８．

第２章白光ＬＥＤ原珲和１ｒ成像光学理论基础

缺点：三基色工艺复杂、配光困难、成本较高。

（２）蓝光ＬＥＤ芯片激发黄色荧光粉，由ＬＥＤ蓝光和荧光粉发出的黄绿光合

成白光，为改善显色性能还可以在其中加少量红色荧光粉或同时加适量

绿色、红色荧光粉。

优点：效率高、制备简单、温度稳定性较好、显色性较好。

缺点：一致性差、色温随角度变化。

（３）紫外光ＬＥＤ芯片激发荧光粉发出三基色合成白光。

优点：显色性好、制备简单。

缺点：目前，ＬＥＤ芯片效率较低，有紫外光泄漏问题，荧光粉温度稳

定性问题有待解决【１０１。

表２－１产生白光ＬＥＤ的三种主要技术

Ｔａｂｌｅ２?ｌＴｈｒｅｅｌｅａｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｗｈｉｔｅｌｉｇｈｔＬＥＤ

蓝光ＬＥＤ＋黄色荧光粉

二元系混合

（ＬＥＤ＋荧光粉系列）

紫外ＬＥＤ＋红绿蓝三色荧光粉

三元系混合或同时加入红绿双色荧光粉蓝光ＬＥＤ＋绿光ＬＥＤ＋红光ＬＥＤ

对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。１９９８年白光ＬＥＤ开发成功。这种ＬＥＤ是将ＧａＮ芯片和钇铝石榴石（ＹＡＧ）封装在一起做成。ＧａＮ芯片发蓝光（Ｌｐ＝４６５ｎｍ，Ｗｄ＝３０ｎｍ），高温烧结制成的含Ｃｅ３＋的ＹＡＧ荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值５５０ｒｉｍ。蓝光ＬＥＤ基片安装在碗形反光碗中，覆盖以混有ＹＡＧ的树脂薄层，约２００－５００ｎｍ。ＬＥＤ基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于ＩｎＧａＮ／ＹＡＧ白光ＬＥＤ，通过改变ＹＡＧ荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温３５００．１００００Ｋ的各色白光。

从上表中也可以看出某些种类的白光ＬＥＤ光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加Ｒ．ＧＢ三颜色荧光粉，用于封装ＬＥＤ白光。但此处三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。

采用ＬＥＤ光源进行照明，首先取代耗电的白炽灯，然后逐步向整个照明市场进军，将会节约大量的电能。近期，白光ＬＥＤ已达到单颗用电１０瓦，增大了它的实用性。表２．２和表２．３列出了白光ＬＥＤ的光效进展。

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表２－２单颗白色ＬＥＤ的光效进展

Ｔａｂｌｅ２－２ＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｓｉｎｇｌｅｗｈｉｔｅｌｉｇｈｔＬＥＤ

年份

１９９８发光效率（流明／瓦）５备注

１９９９１５相若白炽灯

相若卤钨灯２００ｌ

２００８２５９ｍ１２０

表２．３长远发展目标

Ｔａｂｌｅ２－３Ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔａｒｇｅｔ

单颗白色ＬＥＤ

输入功率

发光效率

输出光能１０瓦１００流明／瓦１０００流明

本文中提到的以及在以后设计中所使用的白光ＬＥＤ都是采用单晶型方式，即蓝光ＬＥＤ芯片涂敷黄色荧光粉，其中ＧａＮ芯片发蓝光（ＹＡＧ荧光粉受到蓝光ＬＥＤ激发后发出黄色光，峰值在５５０ｎｍ，ＬＥＤ基片发出的蓝光被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光结合得到白光。）

２．２ＬＥＤ道路照明灯具设计理论初步

２．２．１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…】。

（１）发光强度的空间分布

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１０００１ｍ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１０００之比值。

第２帝自光ＬＥＤ原理和１Ｆ成像光学理论幕础

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。

（２）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。灯具的效存满足使用要求的前提下，越高越好。

（３）灯具亮度分布和遮光角

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。

灯具的平均亮度由式（２．１）计算

Ｉ．．仃＝ＩｄＡｒ（２－１）式中Ｉｏ一灯具在０方向的发光强度，ｃｄ，

Ａｐ－一灯具发光面在０方向的投影面积，ｍ２。

２．２．２ＬＥＤ道路照明灯具的设计

ＬＥＤ道路照明评价指标共有四项，本文主要从照度均匀度和配光设计上加以考虑。

（１）照度均匀度

照度均匀度表示某一区域照明分布的均匀程度。若最小照度为Ｅｏ，平均照度为Ｅａ时，（照度）均匀度一般用Ｅｏ／Ｅａ表示。此外，若最大照度为Ｅｍ时，也有采用Ｅｏ／Ｅｍ、Ｅａ／Ｅｍ、Ｅｍ／Ｅｏ等表示（照度）均匀度的情ａｔｌ２，１３，１４】。

（２）配光设计

配光曲线分布类型主要有。液滴’’型，“蝙蝠翼＂型和“侧翼＂型三种，图２．－６为液滴型和“蝙蝠翼’’型配光曲线，目前市场上ＬＥＤ道路灯具的几种配光解决方案如下：

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●■－酗蚋Ｏ嘲啊１∞。ｔｌｌ＇ｌＷＮＩｑＩ＇ｗｒＩＷ

：＋：ＩＭ＂ｍｒＭ●－ｐ－■州一ｊ？＿’。一。ｊ∥ｊｔｊ：

图２－６两种配光曲线图

Ｆｉｇ．２－６Ｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｐｌｏｔａｂｏｕｔｂｅａｍｏｕｒｖｏ

ａ．“Ｖ＂形排列

通过将ＬＥＤ颗粒安装在“Ｖ“形底板上来达到增大纵向照明区域．提高纵向均匀度的目的。

ｂ．利用反光器的反射凹槽

每一个凹槽对应一个ＬＥＤ光源，提高出光效率，控制出光角度和光强分布，从而达到较好的光学分布，提高路面的照度均匀度。

ｃ．采用透镜

利用透镜来改变ＬＥＤ的出光角度，实现二次配光的目的。

ｄ．采用模组定向安装

多个模组安装在一个灯具支架上，每一个模组根据需要按照不同的角度投射。

这４种配光方式都能起到一定的配光作用，在一定程度上都能提高照度的均匀度，但是离标准的要求还有一定差距。因此，在配光设计中可能需要几种配光方案的综合使用或者需要其他更好的方式来解决。

２．３非成像光学设计理论基础

自由曲面光学系统是基于非成像光学理论建立起来的，以实现在目标面上形成特定的光线分布、并追求可能的最大能量利用率为设计目标的光学系统。目前，相关的光学元件被广泛应用于新型太阳能收集系统和照明系统中。与传统光学元件不同，自由曲面光学元件的面型非常复杂，一般不具有解析表达式，因此，为了完成自由曲面的设计，需要将经典光学理论与微分几何和空间造型理论相结厶口。

第２章臼光ＬＥＤ原理和１ｒ成像光学理论幕础

２．３．１非成像光学发展历史

传统几何光学是以提高光学系统的成像质量为目标而发展起来的学科，它追求的是如何在像面上获得足够好的物像。而与传统的成像光学不同，非成像光学（１、ＩｏｎｉｍａｇｉｎｇＯｐｔｉｃｓ）并不试图在目标面上构建清晰的光源像，而是试图在光源与目标面间找到一种经过优化的光线传递路径ＤＳ］。

非成像光学理论起源于六十年代中期，１９６６年，Ｈｉｎｔｅｒｂｅｒｇｅｒ和Ｗｉｎｓｔｏｎ在发表的一篇提高太阳能收集效率的文献中首次提出了“非成像光学飞ＮｏｎｉｍａｇｉｎｇＯｐｔｉｃｓ）一词。１９６７年Ｂａｒａｎｏｖ提出将其应用于太阳能收集系统中的复合抛物集能器（ＣＰＣ－ＣｏｍｐｏｕｎｄＰａｒａｂｏｌｉｃＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）［１６】设计中。七十年代中期以后，在总结前人工作的基础之上，Ｗｉｎｓｔｏｎ和Ｗｅｌｆｏｒｄ等人开始非成像光学体系【１５。１７】。此后，一系列非成像光学理论的提出和完善极大地丰富了非成像光学的概念。在成像光学设计中，光学系统作为成像工具，基本上都用几何光线的概念来研究其规律，对能量传递的研究较少。从物理角度来看，光线携带着辐射能，光线的方向也就是辐射能的传播方向。因此从能量的角度考虑，光学系统也是传递辐射能的渠道，是能量传播的过程，非成像光学就是从能量传递规律的角度对光学系统进行研究的。

近来，随着平板显示技术、光纤技术及新型照明光源等的出现和发展，在照明应用场合，对于系统空间利用率、照明均匀性、光线发散角和能量传输的要求越来越趋严格，而基于成像理论的各种照明系统开始体现出其不足，甚至成为一个瓶颈。因此，越来越多的科研人员采用非成像光学来解决光学领域中所碰到的问题。从而进一步推动非成像光学的发展，也在一定程度上丰富了成像光学理论

【１９】。

２．３．２非成像光学设计基本理论及方法一自由曲面构造

所谓自由曲面，是指这样一类光学面：它们不像传统成像光学面那样具有精确的表达式和对称轴，整个面型完全由面上的离散点定义并拟合而成【Ｉ９１。标准的轴对称光学系统不可能很好地解决非对称照明要求（如矩形面照明），而自由曲面天生的自由度为解决上述问题提供了便利；另外，相比较于传统光学系统，自由曲面可以使用更少的元件或面型提供更为优化的结果（如像差特性）。因此，自由曲面得到了更为广泛地利用，并且代表了未来的发展方向。

最为常用的自由曲面设计方法包括两种：数值优化法（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ）‘２０】和直接法（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈｏｄ）【１９１。数值优化法的相关研究成果已经有很多，每项成果都提出了各自的带有若干可变参数（一般少于２０个）的

北京－Ｅ业人学Ｔ学７贝ｌｊ‘孚：位论义

优化函数。如果预期结果与原有的经典结果差异不大，或者所设计照明系统为轴对称系统，使用数值优化法将会显得非常方便。但该方法对于非轴对称设计问题的处理能力非常薄弱，因此使用上具有一定的局限性；另外，数值优化法要求设计人员不仅要有丰富的经验，同时由于是反复多次优化而得到最终结果，因此在设计复杂系统时不可避免的要花费相当多的时间。使用直接法进行自由曲面设计上的初始条件是己知发光性质的光源和预期的照明目标面上光强分布，通过加入自由曲面，将光源的光线分布与照明目标面的光线分布加以匹配。

直接法其实是一系列设计方法的统称，如ＳＭＳ法（ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＭｕｌｔｉｐｌｅＳｕｒｆａｃｅ），Ｍ－Ａ等式法（Ｍｏｎｇｅ－ＡｍｐｅｒｅＴｙｐｅＥｑｕａｔｉｏｎ），剪切法（ＴａｉｌｏｒｅｄＬｅｎｓ）等，其中目前利用最为广泛、最有前景的设计方法是剪切法【２１彩】。

剪切法最早提出于１９９３年，自１９９３．２００２年，黜懿等人连续发表的多篇相关论文【２７－３１１，奠定了剪切法的理论基础。剪切法的基本原理在于使用光波前描述光源和照明上的光强分布，使用若干个反射或折射面（为了简化计算，通常为１个）进行光波前匹配，使特定光波前的光线与照明面光波前进行一一对应，完成对于光线的剪切。由于通常情况下，可以用一个二阶的偏微分等式对光波前进行描述，同时自由曲面的法向量、曲率等也可以被描述成对应的微分方程，将它们代入向量形式的折反射定率公式：

丙正ｉ五瓦丽：丽一刀鬲（２－２）即可得到相应的偏微分方程组。利用合适的数值方法求解该偏微分方程组，即可以得到自由曲面上的离散点分布，通过一定的拟合，最终求解得相应的曲面分布。与前述的其它方法相比，剪切法的设计最为直接，不需要经过优化即可得到较好的结果；同时，理论上可以仅使用一个光学面，最大限度地减小了空间浪费；基于自由曲面的设计又使照明系统具有极大的自由性。这些优势都使基于剪切法的自由曲面设计具有极为广阔的前景。但是，由于在实际计算时，对光源和照明面进行合理匹配是非常困难的，不合理的匹配很可能造成最终微分方程组过于复杂而无法求解；合适的数值求解方法则决定了得到的结果是否足够精确并且不会发散……这些现实的问题都有待学术界的进一步研列博】。下图２．７为剪切法原理示意图。

第２章白光ＬＥＤ原理和１广成像光学理论基础

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图２－７剪切法原理示意图

Ｆｉｇ．２－７Ｔｈｅｏｒｙｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｃｕｔｍｅｔｈｏｄ

ＯＥＣ公司的Ｈ．Ｒｉｅｓ和Ｊ．Ｍｕｓｃｈａｗｅｃｋ发表文章‘２４】【２５１中，指出可以用数值求解偏微分方程的方法来构造自由曲面的面型。对于一个体积相对较小的光源，反射镜或透镜表面上的每一点会将光源的辐射分布到一个目标区域，该区域的大小及分配到的辐射完全由光学面上相应点处的曲率和斜率确定。而曲率和斜率分别是该光学面的两阶导数和一阶导数，这意味着这个光学面形可以由曲率和斜率构成的偏微分方程求解得到。

利用微分方程数值解得到自由曲面的设计方法，具有很高的效率，直接得到面型的数据，省略了传统方法中反复优化的过程当然这种方法也有其局限性，只适用于小体积光源的情况下，针对扩展光源的自由曲面设计，还有待理论和设计方法的进一步发展【２６】。

２．３．３半导体照明中的非成像光学

相比于传统的成像光学而言，非成像光学所关心的不是能否在目标平面上成像以及成像质量如何，而是关注光源的能量利用率以及能量分布情况，图２．８表示了成像光学与非成像光学系统之间的区别。如图２－８（ａ）所示，两个物点Ｓｌ，Ｓ２发出的光经过成像光学系统传输，在屏幕上得到了其像点Ｓｌ’，Ｓ２’；而图２．８（ｂ）中经过非成像光学系统，则在屏幕上得到了某种特定的照度分布，可以说，成像光学系统传递了物点的位置信息和光强度信息，而非成像光学系统则是对能量进行了重新分配和组合。

北京ｒＴ业人学Ｔ学硕Ｉｊ学位论文

图２．８成像光学系统与非成像光学系统的对比示意图

Ｆｉｎ．２?８Ｉｍａｎｉｎｎｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｎｏｎ－ｉｍａｎｉｎｎｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ

２．４本章小结

本章主要介绍了ＬＥＤ的基本结构、发光原理和实现白光ＬＥＤ的方法，具体阐述了ＬＥＤ道路照明灯具的光学特性、灯具的照度均匀度和配光设计问题，重点介绍了非成像光学设计理论。其中非对称自由曲面的设计方法得到了大量的运用。可以预测，在照明领域最有应用前景的白光ＬＥＤ的发光效率，还有极大的提升空间。将会在照明光源领域掀起一场革命。过去常规ＬＥＤ只能在产品上充当指示灯号，而今随着技术进步、亮度提升，高亮度白光ＬＥＤ正一步步进军潜力庞大无比的灯光照明市场。

第３市ＬＥＤ照明灯只光源的仿真研究

第３章ＬＥＤ照明灯具光源的仿真研究

３．１引言

本章首先拟利用Ｔｒａｃｅｐｒｏ光学仿真软件进行ＬＥＤ芯片封装的模拟，主要从反光碗的材料选择，结构造型和光学参数等方面进行优化，以期设计出出光效率更高的芯片封装形式。其次通过光源数量和距离的组合仿真验证其光学特性。

由于材料技术和工艺水平的不断进步，ＬＥＤ芯片的封装技术也日趋成熟，将发光二极管的晶片密封在封装体内，其作用是保护管芯，完成电气互连，以达到输出需要的可见光，通常封装形式有引脚式、平面式、ＳＭＤ（表面贴片二极管．）和食人鱼式等。为了达到预期的照明效果，需要根据ＬＥＤ芯片结构，几何形状来选择合适的封装方式。

本章首先以Ｃｒｅｅ公司ＴＯＰ白光ＬＥＤ为基础，该款ＬＥＤ利用蓝光激发黄色荧光粉ＹＡＧ（ｙｔｔｒｉｕｍａｌｕｍｉｎｕｍｇａｒｎｅｔ，钇铝石榴石）获得，通过Ｔｒａｃ印ｒｏ仿真软件模拟不同封装形式所产生的照度图，发光强度图变化，以此来分析其对芯片出光效率的影响，并研究出光效率变化的规律和产生的原因，从而选择出出光效率更高的芯片封装形式。

其次通过仿真两个及多个ＬＥＤ阵列模型，研究ＬＥＤ数量及间距对照度分布的影响，并且得出ＬＥＤ矩形阵列最实用的间距，为下面路灯的光学系统设计和照度分布测量研究提供坚实的基础。

３．２ＬＥＤ灯具光源的照度分布仿真研究

ＬＥＤ一次光学设计介绍３．２．１

为了使ＬＥＤ芯片发出的光能够更好地输出，得到最大程度的利用，并且在照明区域内满足设计要求，需要对ＬＥＤ进行光学系统的设计。其中，在封装过程中的设计被称为一次光学设计；而在ＬＥＤ之外进行的光学设计被称为二次光学设计，也叫二次配光设计。

ＬＥＤ芯片本身是一个近似的朗伯（Ｌａｍｂｅｒｔｉａｎ）光源，即ＬＥＤ芯片的光分布是以垂直于ＬＥＤ发光面的轴线方向为零度角的余弦分布。图３．１为直接使用ＬＥＤ芯片作为光源的照明效果示意图，其光强分布沿其发光的旋转对称轴成余弦分布为：

北京Ｔ业人学Ｔ学硕ｌｊ学位沦义

，（巾）＝Ｉｏｃｏｓ巾（３—１）

式中厶为ＬＥＤ沿轴线方向的光强，巾为出光方向与轴线之间的夹角。若忽略ＬＥＤ芯片的面积，则容易得到距离ｈ的屏幕上的照度分布为

刑）＝孕

大而迅速衰减。这样的光源，很难满足道路照明用途的需求。（３．２）从式３－２可以看出，ＬＥＤ所发出的光线在屏幕上形成的照度随出射角由的增

图３—１ＬＥＤ（朗伯光源）照明示意图

Ｆｉｇ．３－１Ｃｈｉｐ（Ｌａｍｂｅｎ：ｉａａｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅ）ｌｉｇｈｔｉｎｇｃｈａｒｔ

一次光学设计主要是决定ＬＥＤ的发光角度、光通量大小、光强大小、光强分布等。而影响封装出光效率的高低、效果的好坏，主要是由芯片、支架和透镜三要素来决定的。

（１）ＬＥＤ芯片是发光的主体，发光多少直接与芯片的质量有关。

（２）支架承载着芯片，起着固定芯片的作用。支架碗的形状大小及与芯片的匹配，对出光效率起着重要作用。

（３）透镜，出光的角度和光斑的质量都与透镜有关。

传统的光学设计方法中，繁杂的计算及精密的实验、调试使做出理想的产品变得相当困难；陆续涌现的光学设计辅助软件，可以ＬＥＤ光源或灯具生产之前对其光学效果进行模拟仿真，检查设计是否满足要求，从而为工程设计人员减轻劳动、缩短设计周期和提高设计质量提供了有效的支持。

本文采用Ｔｒａｃｅｐｒｏ作为辅助光学设计软件。Ｔｒａｃｅｐｒｏ是一个实体模型的光分析软件，Ｔｒａｃｏｐｒｏ用“普适光线追踪＂来追踪光线，这种技术引入光线到一个模型，而在物体和表面相交处并没有引起额外的损失。

采用Ｔｒａｃｅｐｒｏ进行光学设计主要步骤为：（１）绘制３Ｄ结构图

第３帚ＬＥＤ照明灯只光源的仿真研究

使用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ、Ｐｒｏ／Ｅ等软件，根据被模拟ＬＥＤ封装产品的结构尺寸，精确画好并导入Ｔｒａｃｅｐｒｏ中。或使用软件自带的绘图功能，绘制结构简单的图形。一般而言，支架、晶片、透镜分开成单体以便于设置属性及调整相对位置。晶片可以是简化的模型，可用一个长方体替代。需要注意的是，各个单体间的相对位置比较重要，应尽量与实际的一致。

（２）设置属性

需要设置属性的有：碗杯（如果是平台也需设置）的表面属性，通常表面设置为ＩｎｉｌＴＯｒ或根据实际自行定义：晶片的发光属性，包括Ｆｌｕｘ、光线追迹数量和发光的角度分布等；透镜（或填充胶）的材料属性，主要是折射率和透光率。若这些属性能够贴近现实中物料的属性，则对一般的ＬＥＤ封装设计而言，这些属性已经能够模拟得比较准确了。

（３）光线追迹及结果分析

在远场处设置、选择一平面去观察光学模型的Ｆａｒｆｉｅｌｄｐａｔｔｅｒｎ，包括发光强度分布（Ｃａｎｄｅｌａ图）及出光效率等数值。图３－２为其仿真步骤。

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图３－２ＴｒａｃｅＩ”Ｏ光学设计主要步骤

Ｆｉｇ．３－２Ｔｒａｃｃｐｒｏｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｍａｉｎｐｌ嗍ｓ

３．２．２单个ＬＥＤ光源的照度分布

将ＬＥＤ芯片封装成ＬＥＤ光电器件，必须进行光学设计。这种设计在业内称为一次光学设计。一次光学设计是保证每个ＬＥＤ发光器件的出光质量，从菜冲意义上来说，只有封装设计（即一次光学设计）合理，才能保证系统的二次光学设计顺利实现，从而提高照明和显示的效梨３２】。

（１）反光碗锥体形状不同对光强和出光效率影响

半导体照明工程中的ＬＥＤ，其配光曲线（空间光强分布图），又称发光强度图是一个十分重要的概念，它表示ＬＥＤ发光在空间立体角范围内各个方向的分布状

北京工业大学工学砸±学位论文

态，在照明应用中计算工作面的照度均匀性和ＬＥＤ灯的空间布置，光强分布是最基本的数据。因而下面讨论的ＬＥＤ路灯芯片封装虽然未涉及到二次光学设计方面，但是其提供的发光强度图中所显示出的一些规律还是有一定借鉴意义的。

发光角（或光束角）有用欧标和美标两种表达方法，而我国通常用半值角９１／２表示，指在光强分布图中光强等于峰值光强１／２时所对应的线与法线所夹的角度。

仿真的ＬＥＤ其反光碗为一个圆锥型的反光碗，其高度为０９ｍｍ，顶面开口圆半径为１．２ｍｍ，底面圆半径约为０６５ｒａｍ。主要从形状、大小、尺寸等方面，对ＬＥＤ反光碗进行全面的分析，为下一步设计出一款效率更高的反光碗做准备。仿真与分析在Ｔｒａｃｅｐｒｏ４．１０中进行，发光芯片近似设置为一个０．３＊０．３＊０．１（ｒａｍ）立方体结构的尺寸。发光面设置为朗伯体（１ａｍｂｅｔ＿ｔｉａｎ）发光，追迹光线条数设置为１万条，反光碗内表面属性设置为Ｐｅｒｆｏｃｔｍｉｒｒｏｒ反射。芯片距离反光碗底部距离为００７５ｒａｍ，用来设置银浆的厚度。检测体设置为一个１０００．１０００＊２０（ｍｍ）的立方体，选用正方形的前表面为量测面，量测面距离发光表面为５０ｍｍ。圆锥以材质Ｐｌａｓｔｉｃ中的ＣＯＣ填充，该材质对０．５４６１ｐｍ波长的折射率为１．５３４１９。

图３－３（ａ）（ｂ）（ｃ）分别为原反光碗的外形图、照度图和光强分布（舀己光曲线）图。

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（ｂ）照度图

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（ｃ）配光曲线圈

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图３－４椭圆锥和方椎外形图Ｒｇ３－４Ｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆｅｌｌｉｐｓｅｃｏｎｅａｎｄｐｙｒａｍｉｄｒｅｆｌｅｃｔｏｒ

图３－４分别是椭圆锥和方椎的外形圈。

北京－Ｔ业大学Ｔ学硕Ｊｊ学位论文

通过模拟得到原反光碗圆锥、椭圆锥（底面椭圆短半径为０．４ｒａｍ，长半径为０．６５ｍｍ，顶面椭圆短半径为０．７５ｒａｍ，长半径为１．２ｒａｍ），方锥（底面正方形边长为０．６５ｒａｍ，顶面为１．２ｒａｍ），其他参数与原反光碗同，出光效率分别为８９．００３％，８８．７６６％，８９．０７０％。

通过以上对比，可以看出芯片封装时不同形状的锥体出光效率基本相同，锥体形状不同直接影响的是其光强分布。

（２）改变支架碗杯内壁（反射锥母线）的形状

固定圆锥底面圆半径为０．９ｒａｍ，顶面圆半径１．２ｍｍ，支架碗杯深度０．８ｍｍ，改变支架碗杯内壁的形状，内壁形状分别为直线、圆弧向里、圆弧向外，见图３．５，探讨支架碗杯内壁的形状对出光效率和发光角度的影响。具体光学参数如表３－１所示。

＆母线为直线的碗杯

ａ．Ｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｒｉｘｉｓｔｈｅｓｔｒａｉｇｈｔｌｉｎｅｂｏ、Ⅳｌｃｕｐ

ｂ．母线为向里圆弧的碗杯

ｂ．Ｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｒｉｘｉｓｉｎｗａｒｄｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｒａｒｃｂｏｗｌ

ｃ．母线为向外圆弧的碗杯

ｃ．Ｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｒｉｘｉｓｏｕｔｗａｒｄｔｈｅｃｉｒｃｕｌａｒａｒｃｂｏｗｌ

图３－５支架碗杯的结构图

Ｆｉｇ．３－５Ｓｕｐｐｏｒｔｂｏｗｌｃｕｐｓａ＇ｕｃｔｕｒｅｄｒａｗｉｎｇ

第３中ＬＥＤ照明灯只光源的仿真研究

表３－１支架碗杯内壁的形状对出光效率和发光角度的影响

Ｔａｂｌｅ３－ＩＴｈｅｓｕｐｐｏｒｔｂｏｗｌｃｕｐｅｎｄｏｐｈｒａｇｒｎｓｈａｐｅｔＯｌｅａｖｅｓｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｔｈｅ

ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎａｎｇｌｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅ

支架碗杯形状

发光角度（ｏ）

出光效率直线５６向里圆弧５６向外圆弧５６８８．８１％９５．７２％８９．５９％

由表３．１可见，支架碗杯内壁为圆弧向里的设计结果最为理想，光的取出最为有效。当然，需要再配合碗杯的深度等调整弧度，才能得到最为理想的出光效率。而支架碗杯内壁对发光角度几乎没有影响。

（３）反光碗高度和反射率不同对出光效率影响

下面将以原反光碗为例，固定圆锥底面圆半径为０．９ｒａｍ，顶面圆半径１．２ｒａｍ，只改变反光碗高度，探讨反光碗高度对光强的影响。具体光学参数如表３．２所示。

由表３．２可见，高度越小，光强的效率越低。同时，由于反光碗高度变小，其光强的半值角增大，最值减小。芯片封装时要同时兼顾半值角和出光效率，根据客户的要求和实际的需要选择合适的半值角以达到较高的出光效率。

表３．２反光碗高度不同对芯片封装半值角和出光效率影响

Ｔａｂｌｅ３－２Ｅｆｆｅｃｔｏｎｄｉｅｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎｓｅｍｉ－ｄｅｇｒｅｅ

０．９ａｎｄｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙａｂｏｕｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔＯ．８ｒｅｆｌｅｃｔｄｅｐｔｈｓＯ．７反光碗高度（衄）

半值角（ｏ）／法向

最大光强（ｃｄ）１５／４．２１７／４．１２０／２．６

出光效率８９．００３％８８．８０７％８８．４３７％

图３－６和图３．７分别为反射率为１００％和７０％（吸收率为３０％，不考虑散射）光强分布图之比较。

北京Ｉ业人学Ｉ学硪±学位论文

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图３－６完全镜面反射时的发光强度图

Ｆｉｇ３－６ＳｈｉｎｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙＤｉｓＵｌｂｕｔｌｏｎＰｌｏｔｏｌｌｐｅｒｆｅｃｔｉＩｌｉｌＴｏｒｒｏｔ］ｅｃｔ”＊。夥，。。”“

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图３－７反射率为７０％时的发光强度图

Ｒ９３－７ＳｈｉｎｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙＤｉｓｕｌｂｕｔｌｏｎＰｌｏｔｏｉｌ７０ｐｅｉ℃ｅｎｔｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ

原反光碗出光效率为８９００３％，而一般镜面反射其设置反射率为７０％，吸收率为３０％，无散射特性的反光碗，芯片的出光效率仅为５０．２４３％，降低很多，可见芯片封装时提高反光碗的镜面反射率很重要。原反光碗可视为理想的完全镜面反射。降低反光碗内表面的反射率，芯片出光效率随之下降。（４）反光碗光束角差异对出光效率影响

通过固定圆锥腔顶面圆半径１．２ｍｍ，高度０．９ｍｍ，改变底面圆半径，探讨开口张角值对光强效果的影响。当底面圆半径也是１．２ｍｍ，办即反光碗是

第３币ＬＥＤ照明灯只光源的仿真研究

圆柱形状，出光效率为７３．４５６％，而当底面圆半径为０．８ｍｍ和０．６５ｍｍ时，出光效率分别为８８．８０７％和８９．００３％，其中底面圆半径为０．６５ｍｍ即为原反光碗。由此可见，底面圆半径越小，光束张角越大，芯片出光效率越高。同理增大顶面圆的半径，其他条件和参数不变，出光效率也随之提高。

３．２．３两个ＬＥＤ的光源照度分布

Ｅｃｘ，ｙ，ｚ，＝ｚ厢厶｛［（石一吾）２＋夕２＋ｚ２］』孚｝｛［（ｚ＋吾）２＋ｙ２＋ｚ２］一竿｝（３．３）令万ｄ２Ｅ＝。，Ｊｔｘ＝０，ｙ＝０ｊｄ…＝?Ｚ

ｍ为经验参数，与单个ＬＥＤ的发光特性有关，此处为８１，另设考察平面的距离Ｚ＝１００得ｄｒｎａｘ＝２１．８２２ｉｎｌｒｌ。

运用Ｔｒａｃｅｐｒｏ建立模型，模拟两个ＬＥＤ的光线追迹。单个ＬＥＤ模型的主要结构为外壳、反光碗、芯片，另外还要设定一个被照明平面用来接收出射光。模拟主要方案以单色绿光ＬＥＤ为代表建模进行模拟追迹，设定追迹波长Ｔｒａｅｅｐｒｏ默认的５４６．１ｍｎ，追迹光线数为５０００，光源发光面到接收面的距离为１００ｍｍ，阵列中默认ＬＥＤ中心距离为１０ｍｒａ。图３．８和图３－９分别为两个ＬＥＤ光源结构图和追迹图。

图３－８两个ＬＥＤ光源模型结构图图３－９两个ＬＥＤ追迹凹Ｆｉ９３－８Ｃｏ，ｌｆｉｇ．ｚａｆｉｏｎｍｏｄｅｌｃｈⅢｔａｌｅｕｔｔｗｏＩｊＤｓＦｋ３－９ＴｒａｃｅｃｈａｒｔａｂｏｕｔｌｗｏＬＤｓ

图３－１０－圉３一１３分别为两个ＬＥＤ间距２４ｒａｍ－５０ｒａｍ照度图比较示意。……∞……∞…Ｍ…

啊’黜篙＃岔髫黜管高翟２慧帅’

图３ｑｌ两个ＬＥＤ中心距离２５ｍｍ照度图

Ｆｉｇ■一一■一３－１１ＬｕｍｉⅡｍｆｉｔｙｃｈａｎａｂ伽¨ｗｏＵＥＤｓｗｉｔｈ２５ｍｃｃ珊日ｄ缸ｂｎｃｅ

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图３一１３两个ＬＥＤ中心距离５０ｍｍ照度图

Ｆｉ９３－１３ＬｕｍｉｎｏｓｉｔｙｃｈａｒｔａｂｏｕｔｔｗｏＬＥＤｓｗｉｔｈ５０ｍｍｃ，ｅｉｉｔｅｒｄｉｓｔａｎｃｅ下图３－１４＂３－１７为两个ＬＥＤ分别距离１０ｍｍ＂５０ｍｍ的极坐标旋光强度图

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圈３一１４两个ＬＥＤ中心距离１０ｍｍ极坐标发光强度脚Ｆｉｇ３—１４ＰｏｌａｒｓｈｉｎｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｐｌｏｔａｂｏｕｔｉｗｏＬＥＤｓｗｉｔｈｔｈｅｌＯｎｕｎｃｅｎｔｅｒｄｉｓｔａｎｃｅ

一２７－

图３．１５两个ＬＥＤ中心距离‰极坐标发光强度圈Ｆｉｇ．３－１５Ｐｏｌａｒ８ｈｌｎｏｉｎｔｅａｓｉｔｙｐｌｏｔａｂｏｕｔｔｗｏＬＥＤｓｗｉｔｈｔｈｅ２４ｍｍｃ印ｔ８ｆｄｉｓｂｍ∞

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０”ｕｗⅢ∞’＿ｊｏ。……‘ｆ…＿…ｃ蛐ｔｅｔｄｉｓｔａａｃｅ图３．１６两个ＬＥＤ中心距离３０ｍｍ极坐标发光强度图３—１６Ｐｏｌａｆｓｈ№ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｐｌｏｔａｂｏｕｔｔｗｏＬＥＤｓｗｉｔｈｔｈｅ３０ｍｍ，又。衫“≮■—■●■翻目》

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ｃｅｎｔｅｒｄｉｓｔａｎｃｔｒｎ＿图３－１７两个ＬＥＤ中心距离５０ｒａｍ楹坐标发光强度图Ｆｉｇ３１７ＰｏｌａｒＳｈｉｎｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｐｌｏｔａｂｏｕｔｔｗｏＵＥＤｓｗｉｔｈｔｈｅ５０ｍｍ

Ｚ：：鲨２２２２ｊｉ２：：：：

用照明光学分析软件Ｔｒａｃｅｐｒｏ进行考察平面上的光照度分析，并取不同的ＬＥＤ间距．模拟的结果从模拟的光照度分布图可以看出，随着ＬＥＤ间距ｄ的增大，平面中心的照度缓慢下降，当间距ｄ为２５ｍｍ时，照度分布曲线变平坦。两ＬＥＤ之间区域的光照度均匀性较好。计算机模拟值与式（３－－．３）计算的理论值相差不大，可以解释为ＬＥＤ光学模型的构造误差所致，即在计算机中构造的ＬＥＤ模型并不是点光源，而是和实物很相近的ｍ５ｍｍ圆柱状：而式（３－３）计算的摹础是将ＬＥＤ当作点光源。理论值和模拟值之间的差恰好是ＬＥＤ的大小ｍＳｍｍ。理论值和模拟值的这种关系说明：一方面式（３－３）的光照度分布计算是正确的；另一方面我们在计算机中所建立的该ＬＥＤ的光学模型具有较高的可信度。

３．２４ＬＥＤ阵列光源照度分布（十个ＬＥＤ）

最后分析ＬＥＤ阵列光源所形成的矩形均匀照明系统。

图３－１８～图３－２２分别为十个ＬＥＤ光源阵列结构图、追迹图、极坐标发光强

度图、发光强度图和照度图。

｜｜ｉＩ厂？、。ｊ：｜譬：ｉ｛：；

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图３－２０十卟ＬＥＤ中心距离１０ｍｍ极坐标发光强度圈圈３－２１十个ＬＥＤ中心距离ｌＯｍｍ坐

标发光强度图

Ｆ蟾３－２０Ｐｏｌａｒ￥ｈｉｌｔｃｉｎｔｅｎｓｉｔ，／ｐｌｏｔａｂｏｕｔｌｅｎＬＥＤ￥ｗｉｔｈｔｈｅｌＯｍｍＤｅｌｔｔｅｆｄｉｓｔａｎｃｅ

Ｆｉｇ３－２１Ｓｈｉｎｅｉｎｔｅｎｓｉｔｙｐｌｏｔａｂｏｕｔｔ印ＬＥＤｓｗｉｔｈｔｈｅｌＯｍｍｃｅｎｔｅｒｄｉｓｔａｎｃｅ

蓍囊篷一。＝：鞘：≮＝—。

图３－２２十个ＬＥＤ中心距离１０ｍｍ照度图

Ｆｉｇ３－２２Ｌｕｍｍｏｓｉｔｙｃｈａａａｌ＿３ｅｔｋｎＬＥＤｓｗｉｔｈｌｏｍｍｃｅｎｔｅｒｄｉｓｔａｎｃｅ

３．３本章小结

（１）对于反光碗内反射面的吸收，可以在材料和工艺方面进行改善。通过减少反光碗的高度，可以减少光线在反光碗内的传播距离．减少ＣＯＣ对光的吸收。通过调整反光碗的顶面圆或底面圆半径，增大反光碗的张角，以减小光线经过反光碗反射后到达反光碗顶面的角度，减少光发生全反射的比率。同时，树脂灌封程度也一定程度上影响出光效率和形状。

（２）在上文所设计的所列条件固定的ＬＥＤ矩形阵列中最实用的距离２５ｍｍ的方案。由该设计过程中得出为设计ＬＥＤ阵列的光学参数必须严格考虑ＬＥＤ阵列的数量与阵列的分布情况，ＬＥＤ阵列的数量越多，得出的ＬＥＤ照度曲线会较好，强度越强。而ＬＥＤ之间间隔则影响着ＬＥＤ阵列照度的分布，必须根据实际情况设计具体方案，运用设计软件进行充分的模拟，选择最合适的方案。

第４帝ＬＥＤ路灯光学设计及照度分布测量

第４章ＬＥＤ路灯光学设计及照度分布测量

４．１道路照明技术要求

４．１．１根据照明质量的评价因素确定的道路照明标准

道路照明分常规照明和高杆照明。高杆照明指灯具安装在大于２０ｍ（含２０ｍ）的灯杆上进行大面积照明的一种方式。而常规照明指灯具安装在１５ｍ以下的灯杆上，按一定间距有规律地连续设置在道路的一侧、两侧的照明方式。采用这种照明方式时，灯具的纵轴垂直于路轴，因而灯具所发出的大部分光射向道路的纵方向。本次设计的ＬＥＤ灯杆高为１２ｍ，按照规定灯具的悬挑长度不宜超过安装高度１／４，这是因为如果悬挑过长，会减少人行道的亮度（或照度）；同时悬挑的机械强度容易出现问题，灯具和光源会发生振动，影响它们的寿命，并且会影响美观，使人觉得不协调，同时造价也会增加，故悬挑长度不宜过长。另一个重要数据是路灯的仰角，如果灯具仰角过大，产生眩光的机会就会增加，因此灯具的仰角也应予以限制。

４．１．２照明方式

本文所涉及的ＬＥＤ路灯的悬挑长度在３ｍ左右，其仰角不超过１５。，属于常规照明，这也是参照ＣＩＥ的建议及有关国家的标准确定的。常规照明有单侧布置、双侧交错布置、双侧对称布置、横向悬索布置和中心对称布置五种基本布灯方式，对于不同的布灯方式，灯具的配光类型、安装高度和间距也不同，需要满足表４．１提出的要求：

北京Ｔ业人学Ｔ学硕Ｊｊ学位论文

表４—１常规道路照明布灯方式

Ｔａｂｌｅ４－１ＯｒｄｉｎａｒｙｃｏｌｌｏｃａｔｉｏｎｏｆＬＥＤｉｎｔｒａｆｆｉｃｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇ

配光类型布灯方式

截光型半截光型

间距Ｓ（１ｎ）

非截光型

间距Ｓ（ｍ）

安装高度

间距Ｓ（ｍ）

安装高度

Ｈ（ｍ）

安装高度

ｒＩ（ｍ）

Ｈ（柚

Ｈ≥１．４Ｗｅｆｆ

单侧布置

｝Ｉ＞Ｗｅｆｆ

Ｈ、三ｏ．硎ｙｅｆｊｆＨ≥Ｏ．５Ｗｅｆｔ

Ｓ９Ｈ

Ｓ＜３ＨＳ＜３Ｈ

Ｈ≥１．２ＷｅｆｔＨ、田．８Ｗｅｆｔ＂Ｈ之Ｏ．６Ｗｅｆｔ

Ｓ＜３．５ＨＳ５３．５ＨＳ三，３．５Ｈ

ＳｇＨ

Ｓ＿＜４Ｈ

交错布置

对称布置

Ｈ却．９Ｗｅｆｔ

Ｈ２：０．７Ｗｅｆｔ

Ｓ鱼４Ｈ

其中ｗｅｆｔ为路面有效宽度，单位为ｍ。本试验室设计的ＬＥＤ路灯的布灯方式属

于双侧对称分布。

４．１．３本次设计的ＬＥＤ路灯参数要求

在本章中，我们要设计一款ＬＥＤ路灯使其满足城市道路照明设计标准的要

求（ＣＪＪ４５－９１）。具体要求如下：

安装高度为１２ｍ，路灯间隔４０ｍ，路面宽１２ｍ（３个车道），采用道路照明标准中第二级别主干道路的要求设计ＬＥＤ路灯，其中规定道路平均照度要求为１５Ｉｘ，均匀度要求为Ｏ．３５。

４．２光学设计

４．２．１

ＬＥＤ路灯二次光学设计方法的优选

目前的ＬＥＤ路灯光学设计一般采用以下几种方法ｐ＂９】：

方法１：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

光源的散热也是一个很难解决的问题。如图４．１所示：

乏：：：：：兰２耋：：盐墨鍪署：：翟苫

图４＿ｌ根据传统灯具设计方法设计的ＬＥＤ路灯

Ｆｉｇ．４－１Ｄｅｓｉｇｎｅｄ∞∞咖ｔｏｔｒａｄ【ｉｔｉｏｅａｌⅧｄ№ｏｎｉ曲ｔ／ａｇｔｈｅＬＥＤｎ＇ｅｅｔｌａｍｐｄｅｓｉｇｎ

方法２：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。用这种方法设计的ＬＥＤ路灯其散热问题较用方法ｌ的ＬＥＤ路灯好解决，而且配光也比方法ｌ好，但是很难实现较好的配光，不可能实现长方形配光，光的浪费也严重比较，必须使ＬＥＤ弧形捧列，这样会使高功率ＬＥＤ的散热板设计、灯头的结构设计和电源控制较为麻烦，而且外形也不美观。如图４－２所示：

圈４－２阵列分布式ＬＥＤ，每一列或行与底座都有一定夹角

Ｆｉｇ４－２１）ｉｓＭｂｅｔｅｄＡｒｒａｙＬＥＤ，Ｅａｃｈｃｏｌｕｍｎｏｉ－ｒｏｗｈａｖｅａｂａｓｅａｎＯｅ

方法３：多颗ＬＥＤ以阵列形式分布，并在每颗ＬＥＤ上加装透镜（轴对称）或反光碗（轴对称）改变ＬＥＤ的发散角，且每颗ＬＥＤ都有相应的透镜与之对应：其每一列ＬＥＤ所在的平面都与底面成一定的角度，以实现长方形配光。透镜（轴对称）或反光碗（轴对称）的设计及加工较方法４所用的非对称自由曲面的透镜的设计及加工简单。但是用这种方法设计的ＬＥＤ路灯必须与方法２一样必须使ＬＥＤ弧形排列，同样会使高功率ＬＥＤ的散热板设计、灯头的结构设计和电源控制较为麻烦。如图４－３所示：

囤¨每颗ＬＥＤ都有一颗透镜（轴对称）对应，每一列或行与底座都有一定夹角Ｆｉ９４－３Ｅ．ｏｈＬＥＤ缸ｅｑｕｉＦ０ｅｏｗｉｔｈａＡｘｉ甜ｍｍｍｉｃｌｅｍ，Ｅａｃｈｃｏｌｕｍｎｃｓｒｏｗｈａｖｅａｂａｓｅａｎｇｌｅ

方法４：多颗ＬＥＤ以阵列形式分布，并在每颗ＬＥＤ上加装透镜（非对称自由曲面的透镜）或反光碗（非对称自由曲面的透镜），长方形的配光直接在单个ＬＥＤ透镜上完成，整体路灯只需将具有长方形配光的ＬＥＤ模组简单地捧列在一个平板上即可，这种ＬＥＤ路灯在机械结构、散热及电源控制方面比较简单，不同等级公路和不同灯杆高度的道路照明只需要增加不同数量的ＬＥＤ模组即可。缺点是透镜的设计和加工工艺比较复杂，成本较高。如图４．４所示：

图４４每颗ＬＥＤ都有一颗透镜（非对称自由曲面透镜），ＬＥＤ阵列处在同一平面上Ｆｉ９４－４ＥａｃｈＬＥＤ讧ｅｑｕｉｐ删ｗｉｔｈａｌｅｎｓｏｆＮｏｎ－ｓｙｍｍｅ打ｉｃａｌｆｒｅｅ－ｆｏｒｍ，ＬＥＤｏｎｔｈｅｓａｍｅｐｌａｎｅ

以上四种光学设计方法可以归纳为两种思想：整体配光和个体配光岬】。整体配光指以传统的照明设计方法对ＬＥＤ光源进行配光设计，一般将ＬＥＤ阵列看成一个扩展光源，通过反光板或特殊加工的灯罩改变从ＬＥＤ阵列出射光线的空间光强分布，使达到道路照明的要求。使用这种方法，ＬＥＤ能够以光源模组的形式直接替换现有路灯内的传统光源而无需改变灯具面型，省去灯具加工的步骤，方法简单，易于被人们接受。但由于采用的是传统光源的灯具，这就加大了ＬＥＤ光源模组散热设计的难度。而将ＬＥＤ阵列以扩展光源来对待，即放弃了可以将单颗ＬＥＤ作为点光源，方向性好的特点。因此这种方法设计的ＬＥＤ路灯光能利用率一般较低，且由于散热的限制，内部只能安装有限数量的ＬＥＤ，很难满足快速道和主干道照明的要求，只能用在辅路或只供行人行走的路上。个体配光则是充分利用ＬＥＤ点光源、方向性好的特性，对每一颗ＬＥＤ或者

第４千ＬＥＤ路灯光学设汁及照眨分布测量

每一列ＬＥＤ进行配光设计，设计思想又可以分为照明区域分割和直接映射两种方法。照明区域分割法指将ＬＥＤ按一定角度排列，每一行或列的ＬＥＤ阵列负责照明一片区域，控制该列或行ＬＥＤ的出射角度，实现光能在路面的叠加，使路灯均匀照明。这种方法无需加装反光板或其它导光器件，充分利用了ＬＥＤ方向性好的优异特性，光能利用率高，同时它抛开了传统灯具造型的束缚，散热空间不再受限制，为散热器的设计提供了方便，但此方法要求单颗ＬＥＤ的发散角不能过大，否则难以实现每列ＬＥＤ对特定区域的有效照明，使路面照度分布难以均匀。相对于区域分割，直接映射法的思想是将每一颗ＬＥＤ与整个路面照明区域相对应，通过设计合适的透镜将每一颗ＬＥＤ所发出的光能均匀地投射到所需照射的整个路面上，这种方法能够充分利用ＬＥＤ点光源的优势实现单颗ＬＥＤ的配光。但这种方法所设计的透镜也有其一定的局限性，由于其照射区域固定，限制了其适用范围，如道路长宽比例发生改变，则需要重新设计ＬＥＤ透镜：一般所需照射道路为非旋转对称，因此所设计的透镜也不是旋转对称结构，即增加了透镜的加工难度，使磨具加工成本上升，只有当大批量生产时才能显现其优点。二次光学设计的光学器件的优选：Ｍ明

二次光学设计必须在ＬＥＤ发光器件一次光学设计的基础上进行。一次光学设计是保证每个ＬＥＤ发光器件的出光质量，考虑将ＬＥＤ芯片中发出的光能尽量多地取出。而二次光学设计是考虑怎样把ＬＥＤ器件发出的光线集中到期望的照明区域上，从而让整个系统发出的光能满足设计需要。

基于ＬＥＤ的二次光学设计，对最终的照明器件和产品的性能起着至关重要的作用。第一，部分光线未能达到有效的照明范围从而导致能量的损失，需要使用

大数值孔径的光学系统对光线进行汇聚，进一步提高光能利用率；第二，封装之后，像面照度分布均匀性达不到设计要求，难以在每一点的照度值都大于要求的最低照度值，这都需要对ＬＥＤ进行二次光学设计。

前文讨论过二次光学设计所使用的基本光学元件透镜和反光碗的优缺点，鉴于反光碗的效率高和安装方便的优点，本次设计反光碗。

单个反光碗有轴对称和非对称两种，。两者各有优缺点：

轴对称的反光碗的设计和加工相对较为简单，加工成本较低。不利因素是实现长方形光斑的配光必须将ＬＥＤ弧形排列，这样会使高功率ＬＥＤ的散热板设计、灯头的结构设计和电源控制较为麻烦，而且外形也不美观。

非对称反光碗，长方形的配光直接在单个ＬＥＤ反光碗上完成，整体路灯只需将具有长方形配光的ＬＥＤ模组简单地排列在一个平板上即可，这种ＬＥＤ路灯在机械结构、散热及电源控制方面比较简单，不同等级公路和不同灯杆高度的道路照明只需要增加不同数量的ＬＥＤ模组即可。缺点是反光碗的设计和加工工艺

北京Ｔ业人学Ｔ学倾Ｉｊ学位论义

比较复杂，成本较高。

考虑到制作成本问题，本文将对轴对称的反光碗进行设计。

本次设计的路灯安装高度为１２ｍ，路灯间隔４０ｍ，路面宽１２ｍ（３个车道），即路灯需要在路面上产生４０ｍ长、１２ｍ宽的长方形光斑。根据这个要求，需要设计在道路纵向产生±５１．３。内均匀分布的配光，道路横向产生＋２６．５。内均匀分布的配光的长方形光斑，道路横向上的配光通过反光碗来实现，道路纵向的配光通过使ＬＥＤ弧形排列来实现。为了使反光碗更具通用性，我们设计出光角度６０。的反光碗。

４．２．２二次光学设计－ＣＰＣ反光碗设计

（１）设计原理

ＣＰＣ是复合式抛物面聚焦器的简称，１９７６年由ＡＲａｂｌ提出。由于它自身的一些特点，ＣＰＣ被广泛用在利用太阳能方面，例如太阳能热水器。同时由于近几年ＬＥＤ功率的提高以及特别是大功率的自光ＬＥＤ的出现，ＬＥＤ大有取代传统光源的趋势，本节主要介绍ＣＰＣ的光学特性，以及如何将其运用在ＬＥＤ照明灯具设计上。根据边缘光线原理，目标平面上任意一点的能量由边缘光线决定

【４３朋】

Ｏ

反射器轮廓设计所用坐标系如图４＿５所示。ＬＥＤ顶面通光孔的一端与反射器起始点Ｒ０相连，另一端为坐标原点Ｏ。Ｒ为反射器面形轮廓上任意一点，Ｒｌ为反射器面形轮廓的终点。原点发出的一条光线入射到点Ｒ，仅经一次反射后射向目标平面。入射光线与光轴的夹角为≯，入射角为Ｑ。反射光线与光轴的夹角为ｐ，光轴顺时针方向转向反射光线的方向为汐的正方向。ｒ为原点Ｏ到点Ｒ的距离，因此反射器面形轮廓ｒ可以表示成痧的函数“彩。

菊４市ＬＥＤ路灯光学设汁及照度分布测量

ｏ

ＲＩ

图４－５设计所用坐标系

Ｆｉｇ．４－５Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｙｓｔｅｍ

根据几何关系可得反射器面形轮廓ｒ与入射角Ｑ之间的关系

篇＝ｔａｎ，（矽）ｄ矽

根据Ｓｎｅｌｌ定律有ａｃ㈣、。‘７

２ａ＝矽＋秒（４－２）

由式４－１、４－２可知，通过确定ｑ与占的函数关系，可以最终确定反射器的面形轮廓。：，

目标平面照度分布函数Ｅ（Ｏ）与照明系统亮度分布函数Ｌ（口）的关系可表示为

脚器

成正比【４５１。

因此，有（㈣角０对应目标平面上的一点的能量由边缘光线ｌ和２决定。在角０情况下，Ｌ（ｐ）与光源ＯＲｏ以及光源经反射所成的像凡Ｒ在垂直于０方向的平面内的投影长度Ｌ

Ｌ（Ｏ）＝兰厂（矽）ｓｉｎ（≯一秒）

Ｓ（４－４）

其中，ｓ为该ＬＥＤ项面通光孔直径ＯＲｏ的长度，Ｅ为目标平面上均匀照明区域的照度。

令ｐ（ｐ）＝厂（≯）ｓｉｎ（矽一口）（４－５）对式（４．５）求对数导数，并将式（４．１）和式（４．２）代入，得舅＝ｓｉｎｏｒｃｏｓｏｔ学确砌带ｑ∥∥面阻６、（４－６）

通过求解该微分方程，即可得到０ｃ与０的函数关系。

令Ｈ＝圭，并代入（４．６）式得

一＋“————ｏ＝ＩｄＯｄＯ

求解该微分方程，得ｄｕ…ｄｌｎｐ（口）１（４－７）

㈣＝高肛渺

其中，毛为待求量。

的函数关系。㈣为便于计算，设定初始条件：起始点心对应日＝０．，口＝６０。。即可求得凼口

岱：ａ“：ｔａｎ———————！——一

数ｃｏｓＯ（ｓｉＩｌ０＋ｃｏｓ０）（４－９）由式（４．２）、（４－４）、（４．９）可知：反射器面形轮廓ｒ最终可以表示成０的函邶，＝等等

丁弘邶蛉砥彩ＬＪ，＝一，（曰）ｃｏｓ（≯）㈩∞式（１０）即为图２所示反射器面形轮廓在极坐标下的曲线方程，其中０∈（０５０，０。】。在图４－５中，以ｏＲ０为Ｘ轴，向右为正方向；以光轴为Ｙ轴，向下为正方向建立直角坐标系。则在该直角坐标系下，反射器面形轮廓上任意一点的坐标为（４．１１）

式（４．１１）即为图４－５中反射器面形轮廓在直角坐标系下的曲线方程。（２）ＣＰＯ反光碗设计

ＣＰＣ固有的优点让它在能量采集方面具有很大的优势但是如果我们反过来想想，如果将光源放在ＣＰＣ的出射口，那么根据光路可逆的原理，光源发出的光线必然经过反射，从入射口出射同时出射光线的最大角为０ｍａｘ，这样ＣＰＣ就起到了聚光的作用同时几乎所有的光线最多只经过一次反射，因此这种ＣＰＣ的光线利用率会大大的高于其他类型的聚光器。

■●■■●●●●●●●●■●■●■●■■■■■●●■■■－Ｉ第４章ＬＥＤ路灯光学设计厦甩度分布测量

ｌｌｌｌｌｌ●■●■●■●■●■●■●■●■●■●■●■●■●■●●●●●●●●－

可能在点光源聚光方面，ｃＰｃ并不能表现出优势但是事实上，任何光源都是有一定体积的ＩＥＤ也一样，因此，在于对于有一定体积的光源聚光方面。ｃＰｃ表现出很强的优势下图为脚盘朗伯发光体在使用为４５度ａ，ｃ聚光前后的光强分布，其中圆斑直径为４米，光源与被照面的距离也是４米，由ｎ帕挪软件模拟生成，光线数十万条，图４＂６和图４＿７分别为４５度蝙蝠翼型配光曲线（极坐标发光强度图）和矩形发光强度图，可见蝙蝠翼型配光分布明显提高了被照面的均匀性和均匀度，图４＂８为其照度图，由图可见ＬＥＤ光源在无反光碗和一般曲面反光碗下，ＣＰＣ反光碗的设计和应用在很大的范围内提高了被照明面的照度均匀度。

整个设计的基本流程如下：

１）使用数学计算软件Ｍａｔｌａｂ进行数值计算（见附录），得到在二维状态下的自由曲面坐标数据并保存为．ｄａｔ文件；

２）使用专门的编译文对数据格式进行整理，并保存为．龇格式：

３）基于上述点坐标使用三维建模软件Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ构建自由曲面并保存为嘧格式输出，如图４－９所示；

４）使用Ｔｒａｃｅｐｒｏ进行整体系统的设计和结果仿真计算（见图４＿６和图４＿７）

Ｉ∞’？’”＇ｗ１¨

０—一７～：』ｏ至≯

图４七４５度极坐标发光强度图ｎｇ．４－６ＰｏｌａｒｓｈｉｎｅｈｔｅｍｉｔｙＤｉｓｈ＇ｉｂｕｆｉｏｎＰｌｏｔｏｆ４５ｄｅｇｒｅｅ

图４｛４５度照度图

Ｆｉ９４－８Ｌｕｍｉｎ∞ｉＨｃｂａｎｏｆ４５ｄｅｇｒｅｅ

ｉ：：２２：：：：：：２：譬鲨

一

图４－９４５度自由曲面反光碗

Ｆ辖．４－９４５Ｄｅｇｒｅｅｒｅｆｌｅｃｔｂｏｗｌｂａｓｅｄｏｉｌｆｉ＇ｅｅｄｏｍ轴ｒ￡ｌ∞

（３）ＬＥＤ路灯计算模拟

根据极坐标系下反射器面形轮廓的曲线方程，当反射光线２与光轴的夹角０趋近－４５０时，原点Ｏ到入射点Ｒ的距离ｒ将趋近无穷，即反射器将延伸到无限远的目标平面。因此必须合理地对反射器进行截短。如图４－１０所示。该图中，Ｍ，为均匀照明区域，ＡＢ以及ＡｌＢｌ为照度衰减区域。本设计中选定ＯＧｌ—鲥，ｒ】。

图４一１０中，ｄ为目标平面上均匀照明区域的半径，ｄ。为目标平面上照明区域的半径，ｄ２为照明系统反射器出光口的半径。其中

ｄ＝ｈｔａｎ３０。＋‘（４－１２）

（４．１３）４＝ｊ！！业一；Ｙｔ‘

（１ｌ，ＹＩ）为反射器面形轮廓终点Ｒ．的坐标，其中ｈ－１２ｍ。

由计算可得ｄ＝６９３ｍ，ｄｌ；７５３ｍ

根据直角坐标系下反射器面形轮廓的曲线方程以及０的取值范围，在三维建模软件Ｐｒｏ／Ｅ中建立反射器模型，并导入光学设计软件Ｔｒａｏｅｐｒｏ中建立照明系统的模型。

北京工业人学工学硕上学位论文

图４－１０反光碗照明示意图

Ｆｉｇ．４－１０Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｃｕｐｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓｏｈｃｍａｔｉｃｄｒａｗｉｎｇ

采用均匀照明区域内最低照度值与平均照度值的比值来表征该区域内的照度均匀度。利用Ｔｒａｃｅｐｒｏ对系统模型追Ｊ銮１５０万条光线，在距离光源１２ｍ、半径为７．５３ｍ的目标照明区域内明区域内的照度均匀度为８５．６％，见图４．１１、图４．１２。

模拟结果表明：单个１ＷＬＥＤ（１００１ｍ）安装在本次设计的反光碗在距离光源１２ｍ时，照射到半径为７．５３ｍ的有效范围内的总光通量为７５．５１ｍ，系统的效率为７５．５１％，平均照度为０．１９６１ｘ，照度均匀性为８５．６％。

图４－１１光线追迹

Ｆｉｇ．４．１１ＴｈｅｌｉｇｈｔｐＵＩｇＵ０８

图４－１２目标平面上的照度分布

Ｆｉｇ．４－１２Ｄｅｇｒｅｅｏｆｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｏｂｊｅｃｔｉｖｅｐｌａｎｅ

第４辛ＬＥＤ路灯光学设计７乏照ｆ蔓分布洲吊

！ＩＩｌ一！一１……——ｌ皇４．２．３二次光学设计一阵列设计

首先我们要计算单只灯具所需的ＬＥＤ数量。根据本章第一节的标准，计算照明整个路面面积所需的光通量：

Ｆ＝巳?Ｌ?Ｄ＝１５?４０?１２＝７２００１ｍ

经式（４＿１４）计算，所需总的光通量为７２００１ｍ。（４－１４）

在结温２５０Ｃ，驱动电流３５０ｍＡ时，总光通量为１００１ｍ加，驱动电流驱动电流７００ｍＡ时，总光通量为１６０１ｍ。在不影响可靠性的前提下，为了充分利用ＬＥＤ的光能，我们将ＬＥＤ的驱动电流设为５００ｍＡ，则根据厂商提供的驱动电流和光通量大小的关系（如图４－１３），可以得到单颗ＬＥＤ的光通量能达到１３５１ｍ。

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／Ｏ／／／。，，／．／。瑚４００瑚６００７００１００．／。１００珊射Ｉ蛳

￡一电魂ｔＦ■－＿一ａ岍—哪Ｉ－呻

图４－１３驱动电流与相对光强的对应关系

Ｆｉｇ．４－１３ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｃｕｒｒｅｎｔａｎｄＬｕｍｉｎｏｕｓｉｎｔｅｎｓｉｔｙｒｅｌａｔｉｏｎｓ

单个ＬＥＤ安装反光碗后光通量为

Ｆ＝１３５１ｍ木７５．５１％＝１０２１ｍ（４－１５）则需７０颗ＬＥＤ就能满足要求，但考虑到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８４颗。

将８４颗ＬＥＤ分为７列，每列１２颗，对路面进行分割，每一列ＬＥＤ负责一片路面区域，通过调整每列ＬＥＤ所在的平面与与底面之间的角度，照亮与之相对应的区域，通过叠加实现道路的均匀照明，见图４－１４。

Ｉ－舅－、拓一

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北京Ｔ业人学Ｔ学硕ｌｊ学位论文

图４．１４ＬＥＤ阵列方式及参数优化

Ｆｉｇ．４－１４ＬＥＤａｒｒａｙｗａｙａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ

如何每列ＬＥＤ所在的平面与与底面之间的角度是我们所要解决的重点，根据道路的对称性，只需要确定以、幺、矽．这三个参数即可。１－Ｊ‘ｔ

虽然每列ＬＥＤ会有一段距离的间隔，但与路灯高度比起来可以忽略不记，所以我们可以用其中的一颗ＬＥＤ代替这一列ＬＥＤ，对其仿真模拟，这样便大大降低了所需要追迹的光线数量，提高优化效率。

我们考虑在路面设置几个采样点，计算这几个点的照度和国家规定的平均照度１５Ｉｘ（由于每列只计算一个ＬＥＤ，其对应的平均照度为１５／１２＝１．２５１ｘ，而对于路面边缘只需达到１．２５＊０．３５＝０．４４１ｘ），的平方和作为评价函数。

图４．１５采样点所在路面位置

Ｆｉｇ．４－１５ＳａｍｐｌｉｎｇｐｏｉｎｔＬｏｃａｔｉｏｎ

第四列负责照亮Ｘ，≤ｘ≤２０（Ｘ为路面长度方向，Ｙ为路面宽度方向，ｘ１还Ｉ

无法确定）的区域，采样点选取为（１５，Ｏ）、（１５，６）、（１５，１２）、（２０，Ｏ）、（２０，６）（２０，１２），见图４－１５，用第四列的一颗ＬＥＤ代替这一列ＬＥＤ，通过优化，当只为３６．７０时，这六个参考点的照度值分别为１．０５６１ｘ、Ｏ．８９１１ｘ、０．７３５１ｘ、０．８９７１ｘ、

‘．

０．７５８１ｘ、０．６３２１ｘ。六个采样点均达到路面边缘照度要求０．４４１ｘ，虽然没有达到平均照度要求的１．２５１ｘ，但是可以通过后续ＬＥＤ光强的叠加弥补。

箱４辛ＬＥＤ路灯光学设计及照度分布测量

图４－１６重新设置的采样点

Ｆｉｇ．４－１６ＮｅｗｓａｍｐｌｉｎｇＰＯｉｎｔ

由于１７≤ｘ≤２０的部分其照明情况已达到照明要求，所以第三列负责照亮ｘ１≤ｘ５１７的区域，用第四列的一颗ＬＥＤ和第三列的一颗ＬＥＤ代替这两列的二

ＬＥＤ，采样点选取为（１２，Ｏ）、（１２，６）、（１２，１２）、（１７，Ｏ）、（１７，６）（１７，１２），见图４－１６，通过优化当当幺为２４．９０时，这六个参考点的照度值分别为１．３２５ｘ、）

１．２５１Ｉｘ、１．０１７１ｘ、１．０８０１ｘ、０．９５４１ｘ、０．８３７ｌ】【。六个采样点均达到路面边缘照度要求０．４４１ｘ，与只考虑第四列优化时相比，照度有明显提高，但是有的点还没有达到平均照度要求的１．２５１ｘ，但是可以通过后续ＬＥＤ光强的叠加弥补。

图４．１７第三次设置的采样点

Ｆｉｇ．４—１７Ｔｈｉｒｄｔｉｍｅｓａｍｐｌｉｎｇｐｏｉｎｔ

由于１５≤Ｘ≤２０的区域其照明情况已达到照明要求，而且０≤Ｘ≤５的区域由第一列负责照亮，所以第三列负责照亮５≤Ｘ≤１５的区域，分别用用第二、三、四列的的一颗ＬＥＤ代替相对应列的ＬＥＤ，采样点选取为（５，Ｏ）、（５，６）、（５，１２）、（１０，０）、（１０，６）（１０，１２）、（１５，０）、（１５，６）（１５，１２），见图４－１７，通过优化当当幺为１２．９０时，这九个参考点的照度值分别为１．８７１ｘ、１．７３６１ｘ、

ｌ赣

麟

图４－１９灯具配光曲线

Ｆｉ９４－１９ＬａｍｐＣａｎｄｌｅｏｕｒｖｅ

我们将前面的设计方法定义为光源逐级递加采样点动态变化法：如果直接优化这４颗ＬＥＤ的数据，需要考虑３个变量，只有通过增加采样点才可能得到较好的结果．这样不仅增加了优化所需的时间，而且随着采样点的增多，评价函数的定义也随之复杂，增加了优化的难度。而采用本方法可以有效解决上述问题，首先优化第四列ＬＥＤ的相关参数，根据光线分布特性定义了与之相关的６个采样点和评价函数，通过优化确定第四列ＬＥＤ所需旋转的角度。然后在此基础上，

镕４章ＬＥＤ皓灯光学啦计＆目艘分布月苴

忽略己经达到道路照明标准的区域，将道路重新分割，加入第三列ＬＥＤ对之进行优化，重新定义与之相关的采样点位置，优化得到第三列ＬＥＤ的相关参数这样，逐级优化。

此方法是对区域分割的改进，它不再将照明面分成特定的空间或者进行均匀分割，而是根据光源特性对照射面进行动态分割，并设置与之对应的采样点，逐步叠加光源，实现照明要求。

４．３试验结果及分析

４．３．１灯具制造

根据前面得到的相关数据，我们设计了一块ＬＥＤ路灯，光源为ＣｒｅｅｌＷＬＥＤ，驱动电流为４５０ｒａａ，８４颗ＩＥＤ分七列捧列，每列１２颗，每列ＬＥＤ所在的平面与与底面之间的角度为前面优化的结果，单颗ＬＥＤ驱动电压为３．１９－７，总能耗为１２０ｗ，图４２０为实物图片。

图４－２０１２０ＷＬＥＤ路灯实物图片

Ｆｉ９４－２０１２０ＷＬＥＤｌａｍｐｐｌｃｔｅｒｅ

４．３．２照度实测及分析

本文设计的路灯已安装在北京工业大学校园内，图４－２１为夜晚２２：３０所拍的实物图片。

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●

一‘甘＿＝一‘ｊ—ｊｔ一

图４２１ＬＥＤ路灯夜景实物图片

Ｆｉｇ．４－２１ＬＥＤｌａｍｐｎｉＯｎ?ｏ∞ｅ“ｍ

本次安装路灯的间距为４０ｍ，单侧布灯，我们选取了无树木遮挡的路段．以尽量不受客观因素的影响。

（Ｉ）测量方法：采用两角布点法，把测量路面等分为４行、１０列，用形成的方格上点的测量照度的数据算平均值。

（２）使用设备：照度计、卷尺。

（３）环境条件：常规条件，夜晚的道路上２２：００以后车辆少时，随机抽取两杆测量。

（４）测量图片：如图４－２２、牝３所示

回

图４－２２路灯灯头示意图

Ｆ１９』－２２Ｌａｍｐｃｌａｗｉｎｇ

第４幸ＬＥＤ路灯光学设计及照懂分布测量

［

Ｕ＿

ｎ

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一

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图４．２３照度测量点布置图

Ｆｉｇ．４．２３Ｄｅｇｒｅｅｏｆｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｉｎｇ

ｐｏ硫ｇｅｎｅｒａｌａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ

（５）计算方法：

＾

瓦＝Ｌ

Ｕ：垒

Ｅ。

∑互

（４－１６）

（４－１７）

其中Ｅｖ为平均照度（１ｘ）互为观测点的照度（１ｚＫ），‰。为路面上的最小照度值

（１ｘ），Ｕ为照度均匀度，１１为测量点数（本次测量中为５５）表４．２为测量结果：

表４．２１２０ＷＬＥＤ＇．玎照度测量数据

Ｔａｂｌｅ４—２１

２０ＷＬＥＤｌａｍｐｄｅｇｒｅｅｏｆｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ

ｓｕｒｖｅｙｄａｔａ

Ｉ

赋

０ｍ３ｍ６ｍ９ｍ

１２ｍ

Ｉ

勿廊

０ｍ

４ｍ

８ｍ

１２ｍ

１６ｍ

２０ｍ

２４ｍ

２８ｍ

３２ｍ

３６ｍ

４０ｍ

横向路诞＼＼＼１

２６．９

２３．５

２０．８

１６．３

１２．７

１０．４

１２．．６１６．１２１．０２３．７２６．７

２８．５

２６．８２４．５２３．Ｏ

２５．１２３．６

２２．６

２１．Ａ２０．９１８．８

１７．１１６．２

１３．Ｏ１２．６１１．ＯｌＯ．７

１１．５１０．３９．８９．５

１２．８１２．７

１６．９１６．３１５．４１４．５

２１．４２０，．７１８．６１７．５

２５．３２３．４２２．０２１．４

２８．７２６．９

２４．２

１５．６１４．６

１０．．９

１０．７

２１．３１７．２２２．８

ａ２?０２尹２

北京Ｔ业人‘≠Ｔ学顾ｌｊ学位论文

计算后得到丘ｗ＝１８．５３，Ｕ＝粤＝０．５１

丘

ａｖ

为了对比分析，我们选取了相同路段安装的高压钠灯相对比，以评测本文设计的ＬＥＤ路灯的光照水平，所有测量条件和测量方法都相同，型号为飞利浦

（ＨＲＰ８２２／２５０ＥＡ０１）４００Ｗ高压钠灯，使用时间约０．５年，

表４＿３为测量结果。

表４．３４００Ｗ高压钠灯照度测量数据

Ⅵ

‘Ｙｌ

横向路Ｎ

０ｍ

３ｍ６ｍ

２４．５２６．５２４．１２２．５２０．１０ｍ

Ｔａｂｌｅ４－３

４００Ｗｓｏｄｉｕｍｌａｍｐｄｅｇｒｅｅ

ｏｆｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓｕｒｖｅｙｄａｔａ

４ｍ８ｍ１２ｍ１６ｍ２０ｍ２４ｍ２８ｍ３２ｍ３６ｍ

４０ｍ

２１．５２２．７２１．９１９．８１７．５

１６．５１７．５１６．４１５．５１４．５

１２．４１３．７１２．１１１．５１０．１

８．９７．５９．０８．１９．７

３．７４．５３．７３．４３．Ｏ

９．Ｏ７．７９．１７．９９．３

１２．６１３．９１１．９１１．４１０．Ｏ

１６．０１７．１１６．３１５．０１４．３

２１．１２２．Ｏ２１．７１９．７１７．３

２４．２２６．０２４．２２２．４１９．８

９ｍ

１２ｍ

Ｅ．

计算后得到Ｅ

ｙ＝１４?９６１ｘ，Ｕ

ｙ

Ｆ口’，

通过表４．２和表４．３的测量数据和计算结果可以看出，本文设计的１２０ＷＬＥＤ

路灯与４００Ｗ高压钠灯相比，照度和均匀度均有较大提高。但耗能明显降低，节能效果明显，有着很好的应用前景。

４．４本章小结

本章主要从ＬＥＤ路灯参数要求、二次光学设计方面对ＬＥＤ路灯进行了光学设计，其中二次光学设计包括反光碗设计和阵列设计。反光碗设计利用微分法设

计了出光角度为４５０的自由曲面的反光碗，阵列设计使用区域分割法的思想，设计结果达到了道路照明标准中第二级别主干路的要求。其次通过数学推导，得出

ＣＰＣ自由曲面反光碗的公式，为以后设计自由曲面透镜做铺垫，然后通过九点法测试了ＬＥＤ路灯的照度，最后通过实测比较了ＬＥＤ路灯和高压钠灯照度和均

匀度的差异。重点讨论了ＬＥＤ路灯二次配光设计的各种方法和本章二次光学系

统设计的优选的方案。

结论

结论

在ＬＥＤ照明系统设计中，光学设计和照度测量是非常重要的课题。而它们都需要深厚的数学功底和计算机编程能力，同时也要求有足够的创新精神和毅力去完成，希望此篇论文对以后的设计有所帮助。

本文主要进行了大功率自光ＬＥＤ路灯的仿真设计工作，并通过对设计出的路灯产品进行实测分析，通过分析ＬＥＤ路灯和高压钠灯的照度均匀度对比，得出仿真结果与测试结果有较好的一致性，并且得出ＬＥＤ路灯比高压钠灯具有更大的优势性。

根据本文前面现有功率ＬＥＤ的发展现状与趋势和ＬＥＤ设计水平分析，当前设计的ＬＥＤ结构尚待解决问题和仍需提高的各类性能表现在：我们要提出更多的ＬＥＤ器件光学机构设计的新方法；

在ＬＥＤ器件设计中，相关的结构设计理论和方法相对缺乏，类似本文中的结构调整仿真设计方法均是作者为进行新型结构的设计提出的，其中理论或设计方法并不够完善，有待于进一步的提高和改进。

当今科技迅猛发展，技术日益精进，所以上面提出的各种问题必将在不久的将来得以解决。希望本文所做的一些基础性研究工作能为ＬＥＤ灯具产业作出一些贡献，更希望将来的技术能把人类带入一个完美的ＬＥＤ照明世界，实现ＬＥＤ的绿色照明。

本文取得的主要创新成果如下：

１．详细对ＬＥＤ照明灯具光源进行仿真研究，主要从单芯片和多芯片阵列结构的模拟入手，研究和分析光源材料、结构和光学参数方面对出光效率的影响及光源间距对照度分布的影响。最后通过仿真展现出的规律，提出产生的原因和一定的解决办法。

２．用微分法理论推导出ＣＰＣ自由曲面公式，用Ｍａｔｌａｂ对４５度自由曲面反光碗进行数值计算，并得到其面型和照度分布图。

３．用区域分割法思想对实际弧形排列路灯进行仿真设计，并进行实测，通过比较ＬＥＤ路灯和高压钠灯的照度数据，得出ＬＥＤ路灯比高压钠灯具有更大的优势性。

参芍上献

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北京Ｔ业人学Ｔ学顾卜学位论文

２３．Ｈ．砌锚，＂Ｔａｉｌｏｒｉｎｇ

２５．ＷｉＩ衔ｅｄＦｒｅｅｆｏ吼ＬｅｎｓｅｓｆｏｒＩｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ”，Ｐｒｏｅ．ｏｆＳＰＩＥ４４４２，４３．５０（２００１）．ｆｏｒＯｐｔｉｍａｌ２４．Ｈ．Ｒｉｅｓ，”ＴａｉｌｏｒｅｄＦｒｅｅｆｏｒｍｏｐｔｉｃａｌＳｕｒｆａｃｅｓ，”Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｅ．Ａｍ．Ａ１９，５９０－５９５（２００２）．Ｐ０ｈｌＪ．Ａ．Ｍｕｓｅｈａｗｅｃｋ，Ｈ．Ｒｉｅｓ，ｅｔｃ．Ｃｏｍｐｌｅｘ３Ｄ－１＇ａｉｌｏｒｅｄ

ｏｆＦａｃｅｔｓＬｉｇｈｔｉｎｇｏｆＦａｃａｄｅｓＰｕｂｌｉｃＰｌａｃｅｓ【Ｃ】．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｓＰｍｖ０１．５１８６，ＤｅｓｉｇｎｏｆＥ伍ｏｉｏｎｔ

ＩｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ：１３３?１４２

２６．ＨａｒａｌｄＲｉｅｓ．ＴａｉｌｏｒｅｄｆｒｅｅｆｏｒｍｏｐｔｉｃａｌＡｍｅｒｉｃａ，ＡＶｏ

ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆ５９０—５９５１．１９，Ｎｏ．３，Ｍａｔｃｈ２００２：ｓｕｒｆａｃｅｓ【Ｊ】．

２７．黄健．非成像光学系统设计方法及其在ＬＥＤ道路照明工程中的应用．２００８，浙江大学硕士

学位论文．

２８．屠大维，吴仍茂，杨恒亮。赵其杰，黄志华．ＬＥＤ封装光学结构对光强分布的影响．光

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２９．ＳｃｏｔｔＡ．Ｌｅｍｅｒ，ＢｒｅｔｔＤａｈｌｇｒｅｎｎ．Ｅｔｅｎｄｕｅａｎｄｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ．ＳＰＩＥ，２００６，６３３８：１－４．

３０．ＷｉｎｓｔｏｎＲ，ＭｉｎａｎｏＪ

ｇａｌｉＶｅＣ，ＢｃｎｉｔｅｚＥ既ａ１．Ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇｏｐｔｉｃｓ．ＥｌｓｅｖｉｅｒＡｃａｄｅｍｉｃＰｌ＇器８。２００５．３１．ＭｉｃｈａｅｌＳｉｖａｌ，ＢｒａｎｄｏｎＳｅｈｏｅｔｔｌｅ，ＭｉｃｈａｅｌＪ．Ｆｌａｎｎａｇａｎ．ｅｔａ１．．ｏｐｔｉｍａｌｓｔｒａｔｅｇｉｅｓｆｏｒａｄａｐｔｉｖｅｌｉｇｈｔｉｎｇ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳａｆｅｔｙＲｅｓｅａｒｃｈ，３６（２５）２８１－２８８．

３２．王声学，吴广宇，蒋伟等．ＬＥＤ原理及其照明应用．灯与照明，２００６（０４）：３２．３５．３３．李志航，高铁成．ＬＥＤ道路照明光源的散热与配光应用．电气技术，２００８，７：９５．９８．３４．Ｄ．Ｗｏｏｄ．ｏｐｔｏｅｌｅｅｔｒｏｎｉｃｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｄｅｖｉｃｅｓｆＭ１．ＰｒｅｎｔｉｃｅＨａｌｌＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，ＵＩＬ３５．Ｂａｈａａ１９９４Ｅ．Ａ．Ｓａｌｅｈ，ＭａｌｖｉｎＣａｒｌＴｅｉｃｈ．ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓｏｆＰｈｏｔｏｎｉｃｓ【Ｍ】．ＪｏｈｎＷｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，

Ｉｎｃ．ＵＳ，１９９１

３６．梁程远，ＬＥＤ的二次配光设计．２００８：浙江大学硕士学位论文．

３７．杨光．照明灯具中自光ＬＥＤ阵列的排列及配光．灯与照明。２００８，３２（１）；１－４．

３８．邹吉平．道路照明灯具配光性能的重要性．电气应用．２００８，２７（７）：１００．１０３．

３９．谷正气，贺平．自由曲面前照灯近光配光的计算机仿真分析．计算机仿真．

２００５，２２（８）：２５３－２５５．

４０．高铁成，艾艳锦，杨广华等．ＬＥＤ路灯的二次光学设计．光机电研究论坛．２００８，１０：４１－４４．４１．ＴｈｏｍａｓＬ．Ｒ．Ｄａｖｅｎｐｏｒｔ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ：ｔｈｅｎｅｘｔｌｅｖｅｌｏｆｄｅｓｉｇｎ，

Ｖ０１．５４５６，（ＳＰＩＥ，Ｂｅｌｌｉｎｇｈ锄，ＷＡ，２００４）４２．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＳＰＩＥ

４３．ＨａｒａｌｄＰｉｅｓ，ＪｕｌｉｕｓＭｕｓｃｈａｗｅｅｋ．Ｔａｉｌｏｒｉｎｇｆｒｅｅｆｏｒｍｌｅｎｓｅｓｆｏｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ【Ｃ】．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ４４．ｏｆＳＰⅢ４４４２，ＮｏｖｅｌｏｐｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓＤｅｓｉｇｎａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＩＶ：４３－５０

４５．ＨａｒａｌｄＲｉｅｓ．Ｔａｉｌｏｒｅｄｆｒｅｅｆｏｒｍｏｐｔｉｃａｌｓｕｒｆａｃｅｓ【Ｊ】．ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆ

ＡＶ０１．１９，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ２００２：５９０?５９５Ａｍｅｒｉｃａ，

４６．ＷｉｎｓｔｏｎＲ．ＭｉｎａｎｏＪＣ．ＢｅｎｉｔｅｚＰ．ｅｔａｌ．Ｎｏｎｉｍａｇｉｎｇｏｐｔｉｃｓ［Ｍ】．Ｂｕｒｌｉｎｇｔｏｎ：ＥｌｓｅｖｉｅｒＡｃａｄｅｍｉｃ

Ｐｒｅｓｓ。２００５．

４７．ＲａｂｌＡ．ＧｏｒｄｏｎＪＭ．Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｄｅｓｉｇｎｓｆｏｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ、）ｌ，ｉｔｈｅｘ２ｔｅｎｄｅｄｓｏｕｒＶ．圮Ｓ：ｔｈｅｂａｓｉｃ

ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ【Ｊ】．Ａｐｐｌ．ｏｐｔ．，１９９４，３３：６０１２－６０２１．

４８．ＯｎｇＰＴ，ＧｏｒｄｏｎＪＭ，ＲａｂｌＡ，ｃｔａ１．Ｔａｉｌｅｄｅｄｇｅ２ｒａｙｄｅｓｉｇｎｓｆｏｒｕｎｉｆｏｒｍｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｏｆ

ｄｉｓｔａｎｔｔａｒｇｅｔｓ［Ｊ】．Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，１９９５，３４：１７２６－１７３７。．．５４．．

攻读硕ｆｊ朗问发表和ｊ差交的学术论文

攻读硕士期间发表和递交的学术论文

１．陈建新，尚守锦等．太阳能ＬＥＤ路灯芯片封装的模拟与研究．照明工程学报．２００８，１９（２）：６６—７０．

２．赵阿玲，尚守锦，陈建新．大功率白光ＬＥＤ寿命试验研究．照明工程学报．２００９．０４．

致谢

致谢

本论文的工作是在导师陈建新教授的悉心指导下完成的，陈老师严谨的治学态度和科学的工作方法给我极大的影响。他在科研上对我严格要求和热情鼓励，并在设计思想方面提出了许多指导性建议，对存在的问题给予细心指教。首先感谢陈老师为我提供多方面锻炼机会，使我各方面均衡发展。他的教学方式和对学生真诚的关爱使我终生难忘。感谢他对我学习上循循善诱的教导和生活上无微不至的关怀。衷心感谢三年来陈老师的关心和指导，向您表示最诚挚的敬意和谢意！

尤其感谢沈光地老师提供优良的科研环境与和谐的学习氛围。还要感谢实验室默的付出是我科研与学习最大的动力。在课题设计及实验期间，史辰、刘国富老师、李澄师兄、刘素娟师姐给予我热情的帮助，史辰老师忘我的工作精神和负责的工作态度给我印象颇深，刘国富老师突出的动手能力和很强的分析、解决问题能力对我帮助相当大，李澄师兄科学的学习方法和广博的知识技能让我受益匪浅，刘素娟师姐在论文撰写方面给我科学指导。在此衷心感谢他们，祝福他们一切顺利。

特别感谢李农博士给我照明方面的科学理论指导和工程实践启发。李老师寓教于乐的教学方法和诙谐幽默的生活语言使科研探索的道路更加轻松有趣。感谢地下室老师、秦琴、翟奋楼、闰静和舍友毛德丰、王龙伟、孙建辉在生活和学习上对我的关爱。尤其是和毛德丰在课题上的讨论让我获益良多，特别感谢他！感谢我的好友胡玉婷，她对我的关心和鼓励是对我最大的支持。她对我默默的奉献，是无法用言语表达的！感谢我的大学同窗陶俊博士，他对我英语翻译上的大力帮助使我翻译水平在短时间内有很大提高！衷心感谢我的父母、兄弟等给予我无私的关爱。他们在我找工作最困难的时候给了我莫大的安慰和温馨的体贴，我将用一生来回报他们。

感谢北京工业大学为我们提供的工作学习、生活环境以及科研条件，在此我度过了三年的难忘时光，最后，向所有关心、支持和帮助我的老师、亲人、同学和朋友们再次表示我最衷心的感谢！祝福他们！

学生：尚守锦２００９年５月

附录

附录：４５度自由曲面反光碗Ｍａｔｌａｂ数值计算源代码ｎ－－４１；

％直角坐标下ｘ和Ｙ

ｄａｔａＩ＝ｚｅｌ－ｏｓ（ｎ，２）；

％极坐标下ｒ和ｔｔｌｅｔａ角

ｄａｔａ２＝ｚａｒｏｓ（ｎ，２）；

％ｔｈｅｔａ角度存储

ａｎｇｅｌｔｈｅ吐ａ＝ｚｃｒｏｓ（ｎ，１）；

％ａｆａ角度存储

ａｎｇｅｌａｆａ＝ｚｅｒｏｓ（ｎ，１）；

％ｐｈｙ角度存储

ａｎｇｅｌｐｈｙ＝ｚｅｒｏｓ（ｎ，１）；

％中间计算存储

ｍｉｄｄｌｅｃｏｍｐｕｔｅｌ＝ｚｅｒｏｓ（ｎ，１）；

％照射距离设定

Ｈ＝１０００；

ｋ－＝－－．４１；

％ｏｒ的长度设定

ｏｒ＿ｌｅｎｇｔｈ＝２００；

萨ｏｒ＿ｌｅｎｇｔｈ；

ｆｏｒｉ－－ｌ：４１

ｌ产－ｋ＋１；ｔｈｅｔａ＝ｋ训１８０；

ｍｉｄｄｌｅｃｏｍｐｕｔｅ＝（１＋ｃｏｓ（ｔｈｅｔａ）＾２＋２?ｓｉｎ（ｔｈｅｍ）?（ｃｏｓ（ｔｈｅｍ）＾３））／２幸（ｃｏｓ（ｓｉｎ（ｔｈｅｔａ）＋ｃｏｓ（ｔｈｅｔａ））“３）；产ｓ?ｍｉｄｄｌｅｃｏｍｐｕｔｅ；

ａｆａ＝ａｔａｎ（１／ｃｏｓ（ｔｈｃｔａ）?（ｓｉｎ（ｔｈｅｍ）＋ｃｏｓ（ｔｈｅｍ）））；

ｐｈｙ＝２?ａｆａ－ｔｈｅｍ；

ｘ－－－ｒ＊ｓｉｎ（ｐｈｙ）；

ｙ＝－ｒ宰ｃｏｓ（ｐｈｙ）；

ｄａｔａｌ（ｉ，１Ｆ－ｘ；

ｄａｔａｌ（ｉ，２）＝Ｋ

ｄａｔａ２（ｉ，１Ｆ－ｒ；

ｄａｔａ２（ｉ，２）＝ｒｈｅａ；．５９．

北京Ｔ业人学Ｔ学硕十学位论文

ａｎｇｅｌａｆａ（ｉ，１）＝１８０?ａｆａ／ｐｉ；

ａｎｇｅｌｐｈｙ（ｉ，ｌ户１８０＊ｐｈｙ／ｐｉ；

ｍｉｄｄｌｅｅｏｍｐｕｔｅｌ（ｉ，１阄ｉｄｄｌｅｃｏｍｐｕｔｅ；％找到终止点

ｘｌ＝ｄａｔａｌ（１，１）；

ｙｌｆｆｉｄａｔａｌ（１，２）；

％照明系统均匀出光半径

ｄ＝Ｈ奎ｔａｎ（４０＊ｐｉ／１８０地ｌ；

％照明系统反射器出光半径

ｄｌ－－ｘｌ?（Ｈ＋ｙｉ）／ｙｌ－ｓ／２；

％存储Ｘ，Ｙ坐标至Ｄ盘文件ｄａｌａｉ中ｓａｖｅ７Ｄ：＼ｄａｍｌ．ｔｘｔ’ｄａｔａｌ－ａｓｃｉｉ－ｄｏｕｂｌｅ；

LED照明光学系统设计及照度分布测量研究

作者：

学位授予单位：尚守锦北京工业大学

相似文献(10条)

1.学位论文 缪莹莹 基于LED照明的DLP投影显示系统研究 2007

本文主要研究了应用LED光源的小型DLP投影显示系统。投影显示系统的小型化、长寿命是投影技术的发展方向，随着LED技术的发展和成熟，为投影显示系统的小型化和长寿命提供了新的可能。LED光源相比于传统的UHP光源，具有无红外辐射、器件小、功耗低、寿命长等优点，但同时由于LED的外形和发光特性等和现有的投影灯源不同，使得现有的照明系统无法应用于LED，且无法满足投影小型化的要求，目前LED光源的光通量输入相比于传统的UHP光源还是远远不足，那么如何有效地传输光能，也成为一个需要解决的问题。本文对DLP投影显示光学系统设计理论、分析方法和系统实现进行了系统的研究，并用LED代替传统的UHP光源作为投影显示系统的光源，结合LED的特性和DLP投影显示系统的参数，利用非成像光学分析方法，设计适用于DLP投影显示系统的LED照明系统，并且深入分析了DLP投影显示系统中的许多光学器件的初始结构和设计方法。使用光学仿真软件LightTools对系统进行模拟，对系统的进行整体性能综合评价对系统设计和特点进行了深入的研究与分析。

第一章简要介绍了投影显示技术，分析比较了三种主要的投影显示技术，分别为CRT投影显示技术，LCD投影显示技术，DLP投影显示技术，介绍了投影机的性能指标，详细介绍了两种传统光源的照明系统：方棒系统和透射行复眼系统，比较了传统的UHP光源和LED光源，介绍了两种光源的优缺点，并分析了LED投影显示的发展现状。

第二章主要对非成像光学系统进行研究，简要介绍了非成像光学系统历史以及同成像光学系统的区别。详细介绍了理论最大集光比和光学扩展量。

第三章主要介绍了设计中所使用LED的特性，包括光学特性和电学特性，简要介绍色轮在投影机中的作用，并且结合这些特性设计了LED驱动。

第四章提出了LED照明系统中的方棒照明系统设计和锥度光棒照明系统设计，使用光学仿真软件LightTools对系统进行模拟，主要研究了方棒长度和均匀性的关系以及锥形方棒锥度，长度的设计对最后出射光束角度和均匀性的影响，并给出设计结果。

第五章引入CPC的概念，介绍了边缘光学理论并且结合本文中具体使用到的LED光源特性对CPC进行优化，通过模拟计算，分析出射光束角度、均匀性和光能利用率。

第六章着重分析了DLP投影显示系统的结构和原理，简要介绍DMD器件的原理，讨论DLP投影显示系统中的主要两种结构：远心光路系统和非远心光路系统。设计TIR棱镜结构，照明透镜组，投影物镜，搭建一个完整的以LED作为光源的DLP投影系统。

第七章对全文进行总结，对文中提出的设计进行比较，并总结工作，展望新的工作方向。

2.期刊论文 孙理伟.金尚忠.岑松原.SUN Li-wei.JIN Shang-zhong.CEN Song-yuan 用于固态照明的自由曲面微透镜设计 -光子学报2010,39(5)

针对LED照明应用中,现有二次光学设计过程对LED初始光强空间角分布的依赖性,讨论了用于LED照明的自由曲面微透镜器件的设计方法.根据斯涅尔定律和边缘光学理论,研究了自由曲面微透镜的面形构造算法,建立了自由曲面微透镜器件的光学模型,并用光学模拟软件对其照明性能进行了模拟实验.结果显示,该微透镜器件能够在目标面上获得满足预期要求的照度分布,照明均匀度在92%以上,且其结构有效解决了LED初始光强空间角分布复杂化的现状和现有二次光学设计对光源初始光强空间角分布依赖性的矛盾.

3.学位论文 吴宏超 LED照明系统的研究和设计 2008

发光二极管LED具有功耗低、体积小、寿命长、无红外辐射等特点,是一种节能环保的绿色光源,在照明系统的应用中有着传统光源不能替代的优点。但是由于LED的外形和发光特性和传统光源有着很大的不同,使得现有的许多照明系统无法应用于LED,因此对LED照明系统的深入研究是必要而有意义的。本文针对LED照明系统及其设计理论进行了研究,其主要工作如下：

1.针对应用在照明系统中的LED光源进行了研究,总结了LED的发光原理和光学特性,探讨了LED照明系统选择LED光源的理论依据,并给出了LED照度分布和光通量的计算方法。

2.针对LED照明光学系统,研究了应用于点光源和应用于扩展光源的设计理论和方法。重点论述了包括光学扩展量和边缘光线原理的非成像光学理论。并研究了一种非成像光学设计方法——SMS设计方法。

3.基于非成像光学理论,应用SMS设计方法设计了微型投影系统中的LED聚光器。提出了创新的“折叠光”四曲面结构,运用Lighttools软件对设计结果的仿真表明,与现有聚光器相比,聚光器光能利用率提高了近20％,在相同输出口径下,纵向尺寸减小了四分之三。

4.推导和完善了LED阵列通过透镜阵列聚光后的光强分布公式,并以此为基础设计了铁路信号机中的LED照明光学系统。经实验测试,样品达到国家规定的信号机相关的发光强度、发散角、发光口径等光学性能指标,且理论设计与实验结果一致。

4.学位论文 沈默 LED投影显示照明系统研究 2006

微显示投影系统的小型化、长寿命是投影技术的发展方向。近年来，高亮度LED器件的出现，为微显示投影系统的长寿命、小型化提供了新的可能。LED具有发光效率高、无红外辐射、器件小、功耗低、寿命长等特点，在投影显示系统的应用中有着传统光源无法替代的优点。但是由于LED的外形和发光特性等和现有的投影灯源不同，使得现有的照明系统无法应用于LED，且无法满足投影系统小型化的要求。因此研究适合于LED的小型投影照明系统是非常必要和有意义的。

本文第一章介绍了投影显示的行业概况、分类，分析比较了目前主要的三种显示投影技术的光学结构，分别为TFT液晶投影显示、DLP投影显示和LCoS硅基液晶投影显示。详细介绍了两种传统光源的照明系统，方棒系统和透射型复眼系统，并分析了LED投影显示的发展现状。

第二章阐述了非成像光学原理，包括光学扩展量(étendu)原理，照明系统的能量利用率原理，并且介绍了临界照明、柯拉照明两种照明系统的原理。

第三章中介绍了高亮度LED的理论基础，结构特点，并且结合Lumileds生产的高亮度LED设计其散热方案，测量了Lumileds和Osram的LED配光曲线，提供LED光源模型。

第四章中提出了用于LED照明的反射型复眼的设计，介绍了复眼照明的理论基础，设计方法，以及采用ASAP模拟过程和结果分析。此设计利用光线反射缩短光学系统的机械长度，减小了体积，利用反射克服透射中产生的色散和透射损失，均匀度和效率都较好。

第五章中提出了用于LED照明的光棒和聚光系统设计，主要研究LED的排布与个数和照明效率之间的关系，以及聚光系统的数值孔径和照明效率之间的关系，寻找最佳匹配值。适合应用于多个LED照明，经过模拟可以达到100尼特的照度。

第六章中引入CPC设计，介绍了边缘光线理论，通过模拟计算，分析其效率和出射光线角度，根据加工要求，提出改进方案。

本文最后一章，对文中提出的三种设计进行比较，并总结工作，指出了新的工作方向。

5.学位论文 胡海蕾 LED照明光学系统的设计及其阵列光照度分布研究 2005

本文围绕非成像光学系统的两大核心问题，即光强和光照度，开展LED照明光学系统的研究。根据LED芯片发光的理论模型，利用光学机构仿真软件TracePro( )对LED进行光学建模，即LED的一次光学设计，光线追迹表明所建模型的光强分布与实验值吻合较好，并对LED出射的光线作出了具体分类统计。在此基础上开展LED的二次光学设计，即提高LED的法向光强大小，在比较不同形式的非成像光学组件后，结合实际情况最终选择旋转抛物面反射体与LED构成系统，并且反射体与LED的空间相对位置变化导致整个系统的法向光强有两个峰值，但它们的成因不同。此外，采用理论推导和计算机模拟相结合的方法对LED阵列的光照度分布进行了研究。推导出LED阵列对与其平行的平面上的光照度分布公式，并用计算机模拟加以验证，两者吻合较好。在前面工作的基础上，结合实际道路照明工程，对影响路面光照度分布的因素作了定量研究，这些因素有：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，并推导出了整个路面的光照度分布公式及相应的变化曲线，给出了分析此类实际问题的一个基本方法，相关成果可为LED照明光学系统的设计和研究提供依据。

6.期刊论文 余桂英.金骥.倪晓武.郑颖君.Yu Guiying.Jin Ji.Ni Xiaowu.Zheng Yingjun 基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计 -光学学报2009,29(8)

针对发光二极管(LED)光源的发光特点,根据非成像光学的光学扩展量理论建立了获得均匀照明反射器的一般方程,实现了在特定目标面上的均匀照明,进而依据该方程设计了用于体视显微镜的LED照明系统.利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明在Φ90 mm的范围内照度均匀性达到90.6%,不考虑反射率损失时能量利用率可达到99.6%.该设计方案采用单一反射器实现均匀照明,为实现照明系统小型化和简单化提供了一种有效的途径.

7.学位论文 郝翔 基于自由曲面的LED照明系统研究 2008

使用固体照明光源特别是发光二极管(LED)作为光源进行照明系统设计，不仅可以节省能源、减少污染，而且可以减小体积、延长系统使用寿命。但是由于LED的外形和发光特性等和现有光源不同，使得现有的基于成像光学的照明系统无法直接应用于LED。自由曲面灵活的空间布局和设计自由度，能够简化光学系统的结构，提高像质。尤其在照明光学系统的设计中由于光学自由曲面可以在分配光强的同时控制散射角度，非常适用于基于LED的照明系统设计，故此展开研究既具有理论价值又含有实际的意义。

本课题对微分方程数值解构造光学自由曲面来实现高能量利用率的均匀照明的设计方法进行了探索性研究。基于微分几何知识和光学折反射定理构建微分方程(组)，并利用数值解法直接得到自由曲面的面型数据。根据现实情况提出了适用于自由曲面照明系统的光学模型，并通过将光源包埋入自由曲面的方法实现100％的理论能量利用率。本课题随即对理论设计进行了实践探索，使用灌注法加工了自由曲面透镜，并将其导入DLP投影系统中对其实际效果进行了测试。

本文第一章介绍了现有照明产业的现状、分类，分析比较了目前主要的几种传统照明系统的光学结构；再介绍了发光二极管光源的发展现状，最后详细阐述了光学自由曲面的应用及发展现状。

第二章介绍了非成像光学的发展历史和基本内容，并且着重论述了微分方程构造自由曲面的设计方法，给出了光学自由曲面的矢量方程组和数值解法；随后给出了实现100％的理论能量利用率的设计方法，并对系统的实际表现进行了仿真模拟；最后给出了几种类轴对称均匀照明的实现方法。

第三章给出了应用第二章的方法实现自由曲面设计的具体过程。

第四章介绍了自由曲面的实际加工方法，并详细介绍了使用灌注法加工自由曲面的流程和问题解决方法。

第五章介绍了在构建基于LED的照明系统中电学、热学、机械加工问题的解决方法，并对相关系统的性能进行了测试。

本文最后一章，对本课题的研究工作进行总结，指出了新的工作方向。

8.学位论文 梁程远 LED的二次配光设计 2008

发光二级管LED(Light Emitting Diode)的照明系统设计对LED照明的普及以及真正实现绿色照明起了至关重要的作用，然而要想同时达到像面均匀照明和高的光能利用率是非常困难的。

传统的成像光学强调能否在像面成像以及成像的质量，而LED的照明设计需要达到一定光能的利用率和均匀性要求，因此在设计中要使用非成像光学的评价方法。然而通常的照明设计软件如ASAP只能对光学系统进行模拟，不具有优化功能。

本文正是在研究了入射光线孔径角和光线在像面高度之间关系的基础上，提出了一种可以在光学设计软件ZEMAX中自动优化系统的方法，从而使优化过程更加方便和精确。整个研究过程分为以下几个部分：首先，针对LED作为朗伯光源和非朗伯光源两种情况，公式推导得出了入射光线孔径角和光线在像面交点坐标的关系，得出结论：为实现像面均匀照明的效果，可以通过改变不同孔径角入射光线的相对权重值，来改变像面上到达该孔径角光线的区域的光线数即照度，从而改变像面照度分布，达到均匀照明的效果；然后在光学设计软件ZEMAX中利用宏语言编写了基于最小二乘法的评价函数验证该关系；最后对某实际LED产品，通过修改宏命令中的不同孔径角光线的相对权重在ZEMAX中优化得到了非球面透镜，实现了圆形光斑和椭圆光斑的均匀照明；通过在照明设计软件ASAP中对整个光学系统的模拟，以及对光线追迹得到的像面照度分布、光能利用率等结果的分析，证明了该方法是行之有效的。

9.学位论文 张芸 LED道路照明光学系统及光能分布的研究 2007

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LightTools对LED进行光学建模。在此基础上展开LED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21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LED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LED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LED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。为进一步提高灯具的光照分布性能，本文采用反射元件与LED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LED照明光学系统，使得LED照明灯具的光照度性能得到进一步的改进。

10.期刊论文 蒋金波.杜雪.李荣彬.Jiang Jinbo.To Sandy.W.B.Lee 汽车照明系统的设计及超精密自由曲面加工技术 -照明工程学报2008,19(3)

随着汽车产业的高速发展和市场的激烈竞争,现代汽车照明系统对发光效率、安全性能、以及美观的要求也越来越高.汽车照明中的自由曲面反射镜及LED照明系统的设计和加工是至关重要的.有别于传统光学系统的设计,汽车照明系统的非成像光学的设计是个多学科、复杂的过程.设计结果的好坏直接影响到照明系统的发光效率、能耗、以及汽车的安全性能.随着光学系统设计和超精密加工技术的进步,越来越多的光学元件采用了非球面以及自由曲面,汽车照明系统的效率以及性能得以极大的提高.本文阐述了汽车照明的非成像光学系统的设计和超精密加工技术.

本文链接：http://d..cn/Thesis_Y1569425.aspx

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