LED二次光学设计在道路照明的应用毕业论文.doc 30页

'LED二次光学设计在道路照明中的应用LED二次光学设计在道路照明的应用毕业论文目录引言..........................................................................1第一章LED在道路照明的应用1.1城市道路照明标准........................................................11.2目前我国LED在道路照明的应用情况........................................3第二章LED的基本原理2.1发光原理................................................................42.2LED结构................................................................42.3大功率LED的结构........................................................5第三章大功率LED的散热问题3.1大功率LED散热问题的产生................................................93.2大功率LED散热问题的解决方法............................................93.3大功率LED散热问题目前的情况...........................................14第四章LED二次光学设计4.1二次光学设计叙述.......................................................154.2多向基板的设计.........................................................174.3配套反光镜、透镜设计论述...............................................25结论.........................................................................28致谢语.......................................................................29参考文献.....................................................................2930 LED二次光学设计在道路照明中的应用30LED二次光学设计在道路照明中的应用引言：随着半导体技术的发展，LED的光效越来越高。LED以其环保、寿命长、节能、光线方向集中等诸多无可比拟的优势，逐渐走入照明领域。随着大功率白光LED兴起，掀起照明领域的一场新的革命。LED在照明领域的发展速度呈指数上升趋势，前景一片光明，必将取代传统灯具。然而大功率LED的兴起才经历了短短几年时间，目前市场上的LED灯具的封装特别是二次光学设计还是继续沿用了传统的灯具直接加上LED芯片，没有充分发挥LED自身的优势。在《中国半导体照明》杂志第12期中，“LED路灯”继“十城万盏”之后，排行2009年LED年度最热词第二。随着LED路灯产品性能的不断完善，未来在主干道路，隧道方面应用极有竞争力。然而LED作为一种新型光源，在路灯应用的许多方面还需要不断完善。第一章LED在道路照明中的应用1.1城市道路照明标准本节引用中华人民共和国行业标准CJJ45-2006号文件，《城市道路照明设计标准》，解释道路照明中的关键术语，以及相关数据标准。1.1.1关键术语1、灯具效率：在相同的使用条件下，灯具发出的总光通量与灯具内所有光源发出的总光通量之比。2、灯具的安装高度：灯具的光中心至路面的垂直距离。3、灯具的安装间距：沿道路的中心线测得的相邻两个灯具之间的距离。4、灯臂长度：从灯杆的垂直中心线值灯臂插入灯具那一点之间的水平距离。30 LED二次光学设计在道路照明中的应用5、路面平均亮度：按照国际照明委员会(简称CIE)有关规定在路面上预先设定的点上测得的或计算得到的各点亮度的平均值。6、路面亮度总均匀度：路面上最小亮度与平均亮度的比值。7、路面亮度纵向均匀度：同一条车道中心线上最小亮度与最大亮度的比值。8、路面平均照度：按照CIE有关规定在路面上预先设定的点上测得的或计算得到的各点照度的平均值。9、路面照度均匀度：路面上最小照度与平均照度的比值。10、眩光：由于视野中的亮度分布或者亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以致引起不舒适感觉或降低观察目标或细部的能力的视觉现象。11、环境比：车行道外边5m宽区域内的平均水平照度与相邻的5m宽车行道上平均水平照度之比。12、截光型灯具：灯具的最大光强方向与灯具向下垂直轴夹角在0°～65°之间，90°角和80°角方向上的光强最大允许值分别为10cd/1000lm和30cd/1000lm的灯具。且不管光源光通量的大小，其在90°角方向上的光强最大值不得超过1000cd。1.1.2机动车交通道路照明标准值机动车交通道路照明应以路面平均亮度（或路面平均照度）、路面亮度均匀度和纵向均匀度（或路面照度均匀度）、眩光、环境比等为评价指标。表1.1.1机动车交通道路照明标准值级别道路类型路面亮度路面照度眩光限制阈值增量T1(%)最大初始值环境比SR最小值平均亮度Lav(cd/m2)总均匀度Uo最小值纵向均匀度UL最小值平均照度Eav(lx)维持值均匀度UE最小值Ⅰ快速路、主干路(含迎宾路、通向政府机关和大型公共建筑的主要道路，位于市中心或商业中心的道路)1.5/2.00.40.720/300.4100.530 LED二次光学设计在道路照明中的应用Ⅱ次干路0.75/1.00.40.510/150.35100.5Ⅲ支路0.5/0.750.4—8/100.315—1.2目前我国LED在道路照明的应用情况2009年初科技部经过多次会议研究，开始全国21个城市开展半导体照明应用工程（简称“十城万盏”）试点工作。“十城万盏”的开展为有效引导我国半导体照明应用的健康快速发展，扩大半导体照明市场规模，拉动消费需求，促进产业核心技术研发与创新能力的提高，迅速提升我国半导体照明产业的整体竞争力奠定良好的基础。伴随政策东风，2009年国内半导体照明产业取得了长足的发展.LED照明应用产品在国内应用最广泛的莫过于LED路灯，LED路灯的长寿命使得路灯的更换次数将大大减少，有力吸引城市路灯管理部门。但是节能、散热、光衰、成本、技术等一系列问题拷问着路灯企业神经，拷问着半导体照明产业的上下游企业。随着LED路灯产品性能的不断完善，未来在主干道路，隧道方面应用极有竞争力。LED路灯应用“南热北冷”，珠三角区域的应用数量明显高于长江以北的区域。LED路灯俨然成为2009LED照明产品的先锋，为国人所了解。我国存在着全球最大的户外LED照明市场，发展前景毋庸置疑。伴随着机遇的同时，面临的挑战也不容忽视。外延材料和芯片制造众多核心技术有待完善；重大装备国产化步伐还应加快；LED照明标准制定迫在眉睫。大功率LED的散热以及高效率等考验着企业，业界更应该冷静地思考那些被繁荣表面所掩盖的根本性问题。30 LED二次光学设计在道路照明中的应用第二章LED的基本原理2.1发光原理LED是发光二极管(LightEmittingDiode)的简称。是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。其工作原理是利用发光二体的材料，由外部施加Vcc电压，使电子与空穴结合达到热平衡时，过剩的能量会以光的形式直接释出，得到所需光谱。发光二极管的电流一旦由P侧流入N侧时,P侧电极注入空穴,N侧电极即注入电子,空穴在P层移动(扩散),电子在N层移动(扩散),达到P-N接合。若空穴与电子的能量达到某定值以上,则空穴即跨越P-N接合进入N层,而与大量电子再结合、发光。电子也一样,会跨越P-N接合进入P层,而与大量空穴再结合、发光。根据不同的结构和材料，LED发出的颜色也是不同的。LED发光颜色由半导体材料决定。根据不同光谱波长，发出不同颜色混合可形成照明所需的白光。或者用蓝光通过荧光粉形成照明用的白光。也正是由于LED发光的波长是单一的，由材料决定，因此人为地将波长控制在可见光范围内，将大大减少紫外及红外光带来的环境污染，能源浪费等。2.2LED结构LED芯片只是一块很小的固体，它的两个电极要在显微镜下才能看见。在制作工艺上除了要对芯片进行焊接外，还要对芯片和两个电极进行保护。图2.2.1如图2.2.130 LED二次光学设计在道路照明中的应用所示，环氧树脂不仅可以对芯片以及黄金导线进行保护，还能起到透镜作用，它可以优化光线，控制光线的发射角。芯片的折射率与空气的相差很大，致使芯片内部的全反射临界角很小，因此芯片发光层产生的光只有小部分被取出，大部分在芯片内部经过多次反射而被吸收，选用相应折射率的环氧树脂过渡，可以提高芯片的出光效率。芯片的反射帽也可改变LED光线的出光方向分布。光线经过环氧树脂会有部分光线被反射回来，经过反射帽的再反射，再经过环氧树脂层射出，则可提高光线利用率，同时也起到优化光线发射角度的作用。2.3大功率LED的结构图2.3.1K2系列的内部结构LED封装技术由最早用玻璃管封装发展至支架式环氧封装和表面贴装式封装,使得小功率LED获得广泛的应用。从二十世纪90年代开始,由于LED外延、芯片技术上的突破,四元系Al2GaInP和GaN基的LED相继问世,实现了LED全色化,发光亮度大大提高,并可组合各种颜色和白光。器件输入功率上有很大提高。目前单芯片1W大功率LED已产业化并推向市场,这使得超高亮度LED的应用面不断扩大,由特种照明的市场领域,逐步向普通照明市场迈进。由于LED芯片输入功率的不断提高,对其封装技术提出了更高的要求。图2.3.2大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，如图2.3.2所示。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺兼容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与芯片设计同时进行，即芯片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等芯片制造完成后，可能由于封装的需要对芯片结构进行调整，从30 LED二次光学设计在道路照明中的应用而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。大功率LED封装的关键技术包括：一、低热阻封装工艺LED封装热阻主要包括材料（散热基板和热沉结构）内部热阻和界面热阻。散热基板的作用就是吸收芯片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板包括硅、金属（如铝，铜）、陶瓷（如Al2O3，AlN，SiC）和复合材料等。LaminaCeramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，如图2.3.3（a）。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板（AlN或Al2O3）和导电层（Cu）在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强，如图2.3.3（b）所示。封装界面对热阻影响也很大，如果不能正确处理界，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的界面在高温下可能存在界面间隙，基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED封装的关键在于减少界面和界面接触热阻，增强散热。因此，芯片和散热基板间的热界面材料（TIM）选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶，由于热导率较低，一般为0.5-2.5W/mK，致使界面热阻很高。而采用低温或共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热界面材料，可大大降低界面热阻。图2.3.3（a）低温共烧陶瓷金属基板图2.3.3（b）覆铜陶瓷基板截面示意图二、高取光率封装结构与工艺在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：芯片内部结构缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从芯片中出射到外部。该部分设计理念同小功率LED类同。荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。30 LED二次光学设计在道路照明中的应用荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。此外，高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限（30nm），因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。Lumileds公司开发的保形涂层（Conformalcoating）技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图2.3.4（b）。美国Rensselaer理工学院提出了一种光子散射萃取工艺（SPE)，通过在芯片表面布置一个聚焦透镜，并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60％），如图2.3.4(c)所示。图2.3.4三、电学设计LED封装的电学设计是指通过电路来实现对LED的控制,包括电源驱动,色彩和亮度等性能的变化,以及使用过程中的电流、温度、光学特性的自动反馈,甚至根据时序的变化,实现周期性控制。控制电路作为LED封装的一部分,可有效解决LED封装和结构的难题,因此越来越受到重视。大功率白光LED的优势要得到体现,特别是要保证它的长寿命和色彩均匀的特点,其驱动设计至关重要。根据LED的I-V特性,其工作电流I与正向电压V呈指数关系。由于每个LED的正向电压V值不同(与芯片制造工艺有关),且温度对V影响较大,V的稍微增加,I值会急剧增大,使LED功耗和温度急剧增加,导致LED的破坏性使用。因此,恒压驱动方式虽然结构简单,但可靠性差。而恒流驱动正相反,即使LED本身V值有所偏差,或者温度发生变化,或者电源电压发生一定的波动,由于恒流源的存在,LED本身的工作状态仍保持不变;且由于LED光输出与I基本成正比关系,一定的I对应的光输出是一定的,从而使LED本身的发热、亮度和色度维持在恒定的水平。30 LED二次光学设计在道路照明中的应用四、机械(结构)设计LED封装的机械设计包括结构尺寸,可加工性及制造成本等。从某种程度而言,LED封装结构是上述光学和热学设计的具体实现。第三章功率LED的散热问题30 LED二次光学设计在道路照明中的应用3.1大功率LED散热问题的产生传统的指示灯型LED封装结构,一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上,由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成,其热阻高达250～300℃/W。新的大功率芯片，其工作过程中只有15%～35%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高，若采用传统式的LED封装形式,将会因为散热不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄,从而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。在大功率LED中，散热是个大问题。例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。另外，一般功率器件（如电源Ic）的散热计算中，只要结温小于最大允许结温温度（一般是125℃）就可以了。但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响：TJ越高会使LED的出光率越低，寿命越短。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作之一就是散热设计。3.2大功率LED散热问题的解决方法对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的70％左右转变成为热量，且LED芯片面积小，因此，芯片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括芯片布置、封装材料选择（基板材料、热界面材料）与工艺、热沉设计等。大功率LED热量大小跟恒流驱动的设计有直接关系，如果恒流驱动设计不好，有效功率不高，热量非常高，什么散热办法都没有用，LED的寿命都不长。。目前LED路灯的散热方式主要有：自然对流散热、加装风扇强制散热、热管和回路热管散热等。加装风扇强制散热方式系统复杂、可靠性低，热管和回路热管散热方式成本高。而路灯具有户外夜间使用、散热面位于侧上面以及体型受限制较小等有利于空气自然对流散热的优点，所以LED路灯建议尽可能选择自然对流散热方式。30 LED二次光学设计在道路照明中的应用3.2.1各种因素对于散热能力的影响1、热辐射系数对LED散热的影响根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，辐照度j*与温度T之间的关系：j*=εσT。其中ε为黑体的辐射系数；σ=5.67×10w／(m·k)，称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。因此可知，温度越高，辐照度越大。当输入功率为1W时，经由表面辐射散出的热能为7.63×10W，仅占总热功率的1.63‰；功率达到2W时，经辐射散出的热能也仅占6.33‰。因此改变热辐射系数对于提高散热能力改善成效不大，散热的关键在于提高另外两种散热方式：热传递和热对流。2、热导率对LED的散热的影响3.2.1透镜封装材料热导率只考虑热传导与对流，改变不同封装填充材料如硅树脂．得出结果，如图3.2.1所示。即使找到一种热导率高达7WmK的环氧树脂成分封装材料时，相比使用热导率为0.25Wm-1K-1的环氧树脂成分封装材料时，芯片温度下降不多，铝基板温度只下降了2.271℃，最大功率仅提高了0.69W。表3.2.1给出透镜热导率为0.2WmK时，不同热沉材料的导热系数对于LED最大功率影响。由表看出，热沉材料对于LED的最大散热能力的影响很小。表3.2.1热沉材料的选择对于LED最大功率的影响材料热导率/WmK器件最低温度/℃芯片温度/℃最大功率/W银41941.26084.6701.667铜38541.26384.7461.66730 LED二次光学设计在道路照明中的应用金31041.27685.0051.667铝21041.30085.5091.639铁76．241.43588.2721.556综上所述，热导率变化对LED最大功率影响微弱。3、增加散热面积对LED散热的影响表3.2.2为3种不同散热方式对LED的温度分布、最大功率的影响。可以看出，增加散热面积是很好的散热方式，可以轻易地提高LED器件散热能力，这是目前LED产品所普遍使用的散热方式之一。然而缺点也很明显：影响成本、增加产品重量、影响封装密度。无限度地提高LED散热片面积显然不现实，因此一般使用1.5inch2散热片提升LED产品最大功率至10W左右，出于成本等因素就不能继续提高。表3.2.2散热面积对于LED最大功率的影响结构散热面积/m器件最低温度/℃芯片温度/℃最大功率/W单个LED（1W）1.24×1041.26084.6701.3带MCPCB(1W)3.49×1041.30085.5092.07加散热片（10W）4.61×1042.208122.72410.004、对流方式对LED散热的影响　　常见对流散热方式有两种：自然对流和强制对流。固定结构的散热与表面传热系数有关。空冷方式时，不同传热系数对最大功率的影响如图3.2.2所示。强对流方式在一定速度内会大大提高LED产品的散热能力，有助于提高散热效果。30 LED二次光学设计在道路照明中的应用图3.2.2强对流方式对LED器件最大功率的影响综上所述，无论是增加散热面积还是增加对流速度都不能无限制地提高散热能力，其原因在于：当散热结构、方式固定后，即使LED导热率有所上升，也无法真正大幅度降低芯片温度；事实证明增加散热面积，可以促进散热。但由于成本限制，且不可能无限制地增加散热面积，因此，要提升LED产品的散热能力，关键要在最大努力增加散热面积时，寻找一种可以快速将上表面热量带走的散热方式。3.2.2大功率LED封装的散热路径大功率LED在结构设计上是十分重视散热的。由K2系列的内部结构可以看出：在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫，它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去。大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如图3.2.3所示。图3.2.3LED与PCB焊接图散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。为提高散热效率，采用双层敷铜层的PCB，其正反面图形如图3.2.4所示。这是一种最简单的散热结构。30 LED二次光学设计在道路照明中的应用图3.2.4双层敷铜层散热结构热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED主要的散热路径是：管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA,散热垫底部的温度为TC（TJ＞TC＞TA），散热路径如图3.2.5所示。图3.2.5散热路径图在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：RJA=RJC+RCB+RBA可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。3.3大功率LED散热问题目前的情况30 LED二次光学设计在道路照明中的应用目前，很多功率型LED的驱动电流达到350mA、700mA甚至1A，这将会引起芯片内部热量不能及时发散，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。业内已经对大功率LED的散热问题做出了很多的努力：通过对芯片外延结构优化设计，使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格振荡，从根本上减少散热组件负荷；通过优化封装结构、材料，选择以铝基为主的金属芯印刷电路板(MCPCB)，使用陶瓷、复合金属基板等方法，加快热量从外延层向散热基板散发。多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片，依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。尽管如此，单个LED产品目前也仅处于1～10W级的水平，散热能力仍亟待提高。相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料，然而当LED功率达到10W以上时，这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对流方式，牺牲了成本优势，也未能获得令人满意的变化。目前LED路灯散热设计中可能存在的问题有：1.散热翅片面积随意设定。2.散热翅片布置方式不合理，灯具散热翅片的布置没有考虑到灯具的使用方式，影响到翅片效果的发挥。3.强调热传导环节、忽视对流散热环节，尽管众多的厂家考虑了各种各样的措施：热管、回路热管、加导热硅脂等，却没有认识到热量最终还是要依靠灯具的外表面积散走。4.忽视传热的均衡性，如果翅片的温度分布严重不均匀，将会导致其中一部分的翅片（温度较低的部分）没有发挥作用或作用很有限。现在LED路灯散热技术，一般使用多为导热板方式，是一片5mm厚的铜板，实际上算是均温板，把热源均温掉；也有加装散热片来散热，但是重量太大。重量在路灯系统上十分重要，因为路灯高有8米，若太重危险性就增加，尤其遇到台风、地震都可能产生意外。也许，未来LED广泛进入路灯领域后，可能形成模组化散热会更好地解决LED路灯散热难的状况。第四章LED二次光学设计4.1二次光学设计叙述30 LED二次光学设计在道路照明中的应用4.1.1传统灯具配光设计在道路照明中的缺点传统的路灯通常采用配光曲线呈广角度圆周正态分布，而现在路灯大都采用单侧照明，这样就会造成过多的光线浪费在路边不需照明的地方，或者路边需要照明的地方光线过于充足。依据1.1.2节可知环境比要求为0.5，即车行道外边5m宽状区域内的平均水平照度与相邻的5m宽车行道上平均水平照度之比只需0.5。依照现在的交通照设计标准，道路方向路灯间距一般是3.5倍于灯高，由于常规光源的光线角度的关系，产生光源无法照到的黑暗地带。另外由于透镜，反光镜的设计不合理，也常出现光线汇集于一点过亮，而周围光强分布较小的情况。同时透镜及反光镜对光的出射效率形成一定程度的制约。这不仅造成能源的浪费，也给夜间行驶产生安全隐患。图4.1.1光线浪费在路边、灯间距不匹配造成明暗相间，强光点目前LED在道路灯具中使用的最普遍形式主要是在灯具内，在一个几乎是平板的安装面（也是反光面）上，装上了矩阵式的LED，这种设计方式是不可能得到良好的灯具配光的。同时这种灯具通常为了扩大光线发射角度，透镜对光线的吸收使得光线利用率受到很大制约。30 LED二次光学设计在道路照明中的应用图4.1.2平板安装面的路灯4.1.2利用LED光线特性进行二次光学设计在道路照明的应用输出功率及光通量提高，是LED路灯二次光学设计目前面临的技术难点之一。在二次光学设计方面，LED的辐射形式在道路照明领域，朗伯型和蝙蝠翼型比较适用，通过二次光学设计，使得LED的光照范围、光度曲线符合道路照明的需求。照明用LED的最大特点是具有定向发射光的功能，因为目前功率型LED几乎都装有反射器，并且这种反射器的效率都明显高于灯具的反射器效率。采用LED的道路灯具应尽可能地利用LED的定向发射光的特性，使道路灯具中的各个LED分别直接把光线射向被照路面的各个区域，再利用灯具反光镜的辅助配光，来实现很合理的道路灯具的综合配光。带反射器的并且具有合理的光束输出角度的LED本身就具有良好的一次配光功能。在灯具内，能按照路灯具高度、路面宽度以及灯具间距设计各个LED的安装位置和发射光的方向就能实现良好的二次配光功能。在此基础上的灯具中的反光镜，保证道路照度更好的均匀度以及光线利用率。蝙蝠翼型光度曲线（直角坐标系）蝙蝠翼型光度曲线（极坐标系）30 LED二次光学设计在道路照明中的应用朗柏圆型光强分布曲线（直角坐标系）朗柏圆型光强分布曲线（极坐标系）4.2　多向基板设计在实际的道路照明灯具的设计中，可采用在基本设定每一个LED投射方向的前提下，把每一个LED固定在多向基板灯具上，使灯具使用于固定的高度、照射宽度以及灯具间隔时，通过设计多向基板各个面的角度，使每一个LED的照射方向都达到满意的结果。在确定每一个LED的功率、光束输出角度时，可根据：E（lx）=I(cd)/K(m)照度E等于光强I和照度距离K平方反比定律，分别计算出各LED在基本选定光束输出角度时应该具备的功率，并且可以通过调整各LED的功率、LED驱动电路输出给每一个LED不同的功率以及每个角度LED的个数来使每一个LED的光输出都达到预计值。这些调整手段都是采用LED光源的道路灯具所特有的，充分利用这些特点就能实现在满足道路路面的照度和照度均匀度的前提下降低照明功率密度,达到节能的目的。本文采用光度曲线呈朗柏圆型分布的LED进行设计。以厦门市环岛路为例计算，灯杆高8m，灯臂长2m,灯杆间距8×3.5=28m，双向六车道单侧宽3×3=9m,路肩0.5×2=1m,绿化带宽2m,另外考虑环境比为0.5，车行道外边5m宽区域内需考虑在内。用96个方向安装的LED灯，按照8×12矩阵排列。30 LED二次光学设计在道路照明中的应用图4.2.1(一)计算各灯距离对应路面中心光强点的距离K利用公式：E（lx）=I(cd)/K(m)，为使得路面获得均匀照度分布，则各个LED灯的光强与中心光强距离成正比，也即各个LED灯的光通量（或功率）需近似与中心光强距离成正比，则各个LED灯预定服务的路面面积D也须近似与中心光强点距离K平方成正比。粗略比例直观图如图4.2.2，其中Sm×Ln与K成正比。计算公式如下：K=S+L+H(1)L=7-(L1+L2+……+Ln+1+Ln/2),n≤3;L=10-(L8+L7+……+Ln+1+Ln/2),n＞3（2）S=S1+S2+……+Sm/2（3）Sm×Ln=K×k,k为常数（4）30 LED二次光学设计在道路照明中的应用图4.2.2依此公式理论上此LED灯排列无法取得确定的Ln,Sm值。我们先令：L1=L2=……=L8,S1=S2=……S6，得Kmn值，如表4.2.1所示。再根据以上公式及设计目标进行Kmn值结合Ln、Sm值的合理近似调整如表4.2.2、表4.2.3所示。依据调整后的值进行设计。表4.2.1L1=L2=……=L8,S1=S2=……S6的Kmn值KmnL1L2L3L4L5L6L7L8S110.1059.1048.4098.0968.4819.34510.57212.052S210.6309.6849.0338.7439.1009.91111.07512.496S311.61010.75010.1679.92010.22710.95512.01813.362S412.94112.17511.66411.44111.71612.35613.30814.511S514.52613.84913.40113.20813.44714.00814．85515.941S616.29315.69215.29815.12815.33815.83216．58617.56630 LED二次光学设计在道路照明中的应用表4.2.2调整后的Ln、Sm值序号12345678Ln2.152.052.001.952.002.102.252.50L-5.93-3.86-1.800.182.154.206.388.75Sm1.851.952.102.352.703.05S0.932.834.857.089.6012.48表4.2.2a调整后的Kmn值(按面积比计算)KmnL1L2L3L4L5L6L7L8S111.0710.7810.5110.5110.5110.7811.3411.90S211.3411.0710.7810.7810.7811.0711.6212.17S311.6211.6211.3411.0711.3411.6211.9012.73S412.4512.1711.9011.9011.9012.1712.7313.28S513.2813.0012.7312.7312.7313.2813.5614.39S614.1113.8313.5613.5613.5614.1114.3915.22表4.2.2b调整后的Kmn值(按Kmn=S+L+H计算)KmnL1L2L3L4L5L6L7L8S110.008.938.258.068.369.0810.2711.89S210.359.228.678.498.759.4710.6212.19S311.0810.129.539.369.6010.2511.3212.81S412.2211.3610.8310.6810.9011.4812.4413.81S513.8313.0112.6312.5012.6813.1814.0315.26S615.9715.3114.9314.8315.0015.4116.1417.2130 LED二次光学设计在道路照明中的应用表4.2.2c调整后的Kmn值(取表a、b均值计算)KmnL1L2L3L4L5L6L7L8S110.549.869.389.299.449.9310.8111.90S210.8510.159.739.649.7710.2711．1212.18S311.3510.8710.4410.2210.4710.9411.6112.77S412.3411.7711.3711.2911.4011.8312.5913.55S513.5613.0112.6812.6212.7113.2313.8014.83S615.0414.5714.2514.2014.2814.7615.2716.22(二)计算各灯功率依据环境比为0.5，则中心光强在路面以外的LED灯照度为路面内的一半。由图比例可令L1、L2、L8三排的灯照射照度为余下的一半，即功率相对也为一半，计算结果如表4.2.3所示。表4.2.3各灯对应的功率P(w)L1L2L3L4L5L6L7L8S155.54x48.60x87.98x86.30x89.11x98.60x116.85x70.81xS258.86x51.51x94.67x92.92x95.45x105.47x123.65x74.17xS364.41x59.07x108.99x104.44x109.62x119.68x134.79x81.53xS476.13x69.26x129.27x127.46x129.96x139.94x158.50x91.80xS590.58x84.63x160.78x159.26x161.54x175.03x190.44x109.96xS6113.10x106.14x203.06x201.64x203.91x217.85x233.17x131.54x以裸大功率LED光效100lm/W计算。为方便计算恢复路边的LED灯功率，即L1、L2、L8三排的功率乘2，得以上半边LED总功率为7035x(w)(按设计计算的为5598x)。发出的总光通量为：7035x(w)×100(lm/w)=703500x(lm)。经过二次光学设计后，假设效率为92.46%，空间利用系数为90%。则光通量为：703500x(lm)×92.46%×90%=585410x(lm)30 LED二次光学设计在道路照明中的应用照射面积为14*17=238(m)。根据道路照明标准，主干道平均照度为20~30(lx)。以30(lx)计算，得常数x:x=0.012197表4.2.4各灯对应的功率P(w)L1L2L3L4L5L6L7L8S10.70.61.11.11.11.21.40.9S20.70.61.21.11.21.31.50.9S30.80.71.31.31.31.51.61.0S40.90.81.61.61.61.71.91.1S51.11.02.01.92.02.12.31.3S61.41.32.52.52.52.72.81.6以上最大LED功率2.8w，此大功率LED功率要求太大，给技术以及散热造成困难，因此考虑在要求较大功率LED的角度上，基板上对应的角度片上安装多个LED灯，依旧按照以上阵列排列。根据表4.2.2的数据，可计算出各灯中心光强对应的图4.2.1的角度a、b值如表4.2.5所示：表4.2.5各灯对应角度b（°）a（°）L1L2L3L4L5L6L7L8S1-36.56.6-25.86.6-12.76.61.36.615.06.627.76.638.66.647.66.6S2-36.519.5-25.819.5-12.719.51.319.515.019.527.719.538.619.547.619.5S3-36.531.2-25.831.2-12.731.21.331.215.031.227.731.238.631.247.631.2S4-36.5-25.8-12.71.315.027.738.647.630 LED二次光学设计在道路照明中的应用41.541.541.541.541.541.541.541.5S5-36.550.2-25.850.2-12.750.21.350.215.050.227.750.238.650.247.650.2S6-36.557.3-25.857.3-12.757.31.357.315.057.327.757.338.657.347.657.3根据表4.2.5各灯对应的角度，设计多向基板，如下图：左右二角等视图30 LED二次光学设计在道路照明中的应用下视图右视图30 LED二次光学设计在道路照明中的应用上视图以上设计充分考虑了“机动车交通道路照明标准值”中的“路面照度”、“平均照度”、“照度均匀度”、“环境比”等，另外特别考虑了路灯的能源利用。将计算出功率的LED调整各LED的功率、LED驱动电路输出给每一个LED不同的功率以及每个角度LED的个数，安装在以上设计的多向基板对应的角度上，将使LED的二次配光更符合道路照明的要求。另外“机动车交通道路照明标准值”中“路面亮度”在考虑路面照度时已经考虑进去，无需重复。下面我们将进一步讨论眩光的基本知识以及论述优化以上设计的反光镜，透镜的设计。4.3配套反光镜、透镜设计论述4.3.1眩光30 LED二次光学设计在道路照明中的应用眩光，分失能眩光与不舒适眩光。凡是降低人眼视力的眩光称为失能眩光，凡使人产生不快之感的眩光称为不舒适眩光。眩光是影响照明质量的重要因素之一。眩光的产生分为直射和反射两种。直射眩光是在观察者正常视觉范围内出现过亮的光源而引起的，反射眩光是观察者在光滑表面看到光源的映象而引起的。另外由于空间明暗比过大出现的眩光称之为对比眩光。在道路照明中眩光与灯具的配光、灯具间距和安装有关，产生眩光的主要因素为：1、光源的亮度（亮度越高，眩光越显著）；2、光源的位置（越接近视线，眩光越显著）；3、光源的外观大小与数量（表观面积越大，光源数目越多，眩光越显著）；4、周围的环境（环境亮度越暗，眼睛适应亮度越低，眩光也就越显著）。道路照明中为避免眩光，对于亮度在20000cd/m以下的光源应采用半透明漫反射，改善灯具发光面，降低其亮度，或用反射器、格片或反射器格片组合来遮挡光源灯具，使光源无法直接进入人眼中。遮光灯罩可以隐蔽光源，避免眩光。遮挡角与保护角之和为90。眩光的程度还与发光体（发光的映响）相对眼睛的位置、角度密切相关，角度越小眩光现象越强。为减小眩光，《城市道路照明设计标准》还规定快速路、主干路必须采用截光型、半截光型灯具；次干路应采用半截光型灯具；支路宜采用半截光型灯具。布置仰角不宜超过15度；灯具最大光强方向和垂直夹角不宜超过65度。以往在道路照明中往往还有一种误解，以为光源越多、表观面积越大，照明效果越好，实际上这只是满足人们视觉感观的要求，对提高照明效果并无多大好处。发光点的增多、发光面的增大，反而让夜行者注意力不集中，加大出现眩光的机率，对安全造成隐患。为此，在立体交叉的照明中，不宜设置太多的光源灯具，应优先考虑采用高杆照明。30 LED二次光学设计在道路照明中的应用道路照明中，环境造成的眩光一般还出现在明暗环境的过渡处。从亮环境到暗环境或从暗环境到亮环境，人的视觉有个适应过程，前者叫暗适应，后者叫明适应。暗适应比明适应所需时间长，而且适应的时间与亮度差有关，因此为避免此类眩光产生，道路照明的灯具不应有明显或过多的明暗相间光分布，本文的多向基板设计充分考虑以及克服了这类眩光。目前，CIE及部分国家的眩光控制标准，给出了眩光控制等级（G）及阈值增量（TI）的具体数值，有的还在沿用CIE1965年的标准。考虑到我国的具体情况，按G和TI的具体数值限制眩光还是有困难的，而且一般认为采用截光型和半截光型的灯具，G和TI的具体指标大多都能够满足。本文利用多向基板设计的灯具满足采用截光型灯具的标准。4.3.2配套反光镜、透镜设计论述考虑到每颗LED光线分布的主要光强应集中在较小的角度范围内，以使光线服务于设计的路面面积，不至于使光线发散、过多叠加而导致计算出功率的LED在对应角度照射面积的照度过多偏离我们的设计。我们采用朗柏圆型光度曲线的LED灯进行经过反光镜的光度曲线优化设计，而不用蝙蝠翼型，使得经过反光镜发光射出的光线较少，提高光线利用率。反光镜的设计以照度距离小的LED灯反光镜角度大，经过反光镜的光线少，而照度距离大的LED对应的反光镜角度小，使得主要光线照射需要的照射面上。另外在照度距离长的角度位置的LED的反光镜，由于朗柏圆型光度曲线的LED灯在60度的角度上还有较大的光强分布，如果纯粹用反光镜以使主要光强集中在计算的照射面内，需要使得大部分的光线都经过反光镜，将降低光线利用率。因此可结合透镜的设计，以最大化光强利用率为出发点，设计出对应角度的发光镜，透镜，以优化光强配置。透镜反光镜设计可遵循：1、近区域用裸LED；2、中间区域用带反光镜的LED；3、远区域结合反光镜及平行光透镜的LED。具体的设计不在本文的讨论范围内。结论：我们假设利用光学透镜进行光线特性设计的路灯中，透镜透光率为90%，反光镜反光率为80%，光线的空间利用率为85%。直接经过透镜出射的光线占总光线的80%，经过反光镜再经过透镜的光线占20%。则可计算光线利用率为:30 LED二次光学设计在道路照明中的应用§1=（80%×90%+20%×80%×90%）×85%=73.44%而如果利用本文设计的多向基板，少部分LED使用透镜。假定直接发射出的占60%，经过反光镜直接射出的光线占30%，经过透镜的占7%，经过反光镜再经过透镜的占3%，光线空间利用率为90%。则可计算光线利用率为：§2=（60%+30%×80%+7%×90%+3%×80%×90%）×90%=82.58%传统灯具照明路面效果图及多向基板设计照明的路面效果图对比：特殊设计后的路面照明效果传统灯具路面照明效果因此经过本设计的LED灯在道路照明的应用，可使光线利用率提高逾9%。同时本设计使得光线在每个角度的照度都相对均匀，以符合机动车交通道路照明标准值。另外充分考虑了道路照明的环境比要求为0.5，利用这个特点设计的灯具又节约了很大一部分光线。而设计出的灯具符合截光型灯具特点，减少眩光，为道路行驶安全提供保障。致谢语：由于南京军区这次的临时对国防生实行的3.5加0.5的政策，使得我们成为全校10届最早做毕业设计的学生。感谢学校领导、学院领导特别是选培办领导的30 LED二次光学设计在道路照明中的应用对这次毕业设计付出辛苦的协调工作。感谢王亚军老师全程指导，在我准备考研的那段时间里，一直默默地支持。感谢我的本科生导师吕毅军老师，在这次毕业设计最迷茫的时候，给了我最重要的资料以及设计思路。参考文献：1、高铁成等《LED路灯的二次光学设计》中图分类号TN312.82、《中国半导体照明》中国半导体照明电子杂志2009年第十二期总第三十四期3、《城市道路照明设计标准》.中华人民共和国行业标准CJJ45-2006号文件4、百度百科（百度搜索引擎输入“LED”、“LED结构”）5、陈元灯《LED制造技术与应用》电子工业出版社,2007;1-106、陈明祥等《大功率白光LED封装设计与研究进展》中图分类号TN305.947、张东春等《照明用发光二极管封装技术关键》中图分类号TN312.88、戴维德《大功率LED的散热设计》9、钱可圆等《大功率LED的封装技术》中图分类号TN312.810、林忠等《大功率LED路灯散热》中图分类号TN312.811、陈萤等《大功率LED散热与误区》中图分类号TN312.812、张君盛等《改善大功率LED散热的关键问题》13、曹正芳等《光学设计在大功率LED道路照明上的应用》照明工程师社区14、周广郁《道路照明中的眩光》TU115、Cree公司《LED照明系统设计指南完全版》16、侯俊《LED灯在道路照明方面的应用》万方数据库30'