目錄摘要 IAbstract II1緒論 11.1引言 11.2國內外現狀與發展趨勢 11.3研究的目的與意義 21.4研究的內容 32LED光源與傳統光源的比較 42.1傳統光源的優缺點 42.2LED光源的優缺點 43對光場的要求以及光場模擬 73.1道路照明指標及采取的方案 73.2LED光源的光強分布以及光場模擬 93.3LED照明系統的二次設計 104總結 16致謝 17參考文獻 18LED照明系統設計摘要發光二極管(LED，LightEmittingDiode)被認為是人類歷史上繼火焰、白熾燈、熒光燈之后的第四代光源。基于節能的需要以及人們對照明質量要求的不斷提高，半導體照明光源以其高效節能、長壽命、色彩豐富和環保等特點受到了人們的廣泛關注。在照明領域，主要關心的問題是如何將光能高效地投射到目標面上，并在照射目標上實現特定方式的照明。通過一系列的設計與調整，制造出高效的LED照明系統，從而讓LED走進人們的生活成為可能。本文介紹了LED照明特點、光場分布、道路照明指標以及采取的一些控制措施，并以LED路燈設計為實例，采用區域分割的思想對LED路燈進行光學設計，讓指定的LED照射到特定的區域，通過這些照明區域的疊加實現道路的均勻照明，最終得到滿意的結果。設計結果經過ASAP軟件仿真和實際測量均達到了道路照明標準中的要求。關鍵字：發管二極管照明道路照明二次光學設計發光二極管路燈

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，愛迪生發明了碳絲白熾燈，使照明技術進入一個嶄新的時代。回顧20世紀的照明史，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，雖說比白熾燈節電節能，但對人的視力產生不利的影響，燈管內的重金屬汞也有害于人體和環境。真正引發照明技術發生質變的還是LED的發明。與傳統照明技術相比，LED的最大區別是結構和材料的不同，它是一種能夠將電能轉化為可見光的半導體。LED屬于全固體冷光源，體積極小、結構堅固、重量輕、而且工作電壓低，使用壽命長，節能環保。LED光源被稱為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體燈之后的第四代光源。在照明領域，LED發光產品的應用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產品，必然是未來發展的趨勢。LED照明使用的白色LED發光效率的提高非常明顯，最近1～2年的進步尤為顯著。雖然數值超過了100lm/W，但就LED照明器具而言仍未超越熒光燈。因為使用白色LED組裝照明器具時，在電源電路功率轉換損耗、升溫及輸入大電流造成的發光效率下降、器具內光損耗的影響下，照明器具整體的效率（綜合效率）約為白色LED的發光效率的50～70％，即使使用最新的白色LED也只能達到80％左右。發光效率在今后仍會繼續提升，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，LED才會真正成為效率的照明。[1][2][3]1.2國內外現狀與發展趨勢LED的研制起始于上世紀六十年代，隨著技術的進步，其出光顏色的種類、芯片尺寸、發光效率、輸入功率和封裝結構等都有了很大的飛躍。最初由于光效率較低，光通量很小，只能在電器設備和儀器儀表上作為指示燈使用。進入90年代，隨著LED制造材料的革新、工藝的改進和生產規模的提高，A1GaInP(磷化鋁鎵銦)等超高亮度LED逐漸進入市場并占據重要地位。特別是自1998年白光LED研制成功后，人們認識到了LED在普通照明領域的巨大發展潛力，紛紛加大研究投入，從而掀起了一場新的產業革命——照明革命。美國能源部每年提供5000萬美元實施固態光源的戰略發展規劃：計劃到2025年照明燈能耗可節省29％，2005~2025年可累計節省1250億美元的電費，相當推遲建立40多個1000兆瓦的電廠，有利于減少環境污染；同時計劃到2025年全國固態光源市場的收入每年約100億美元。為了指導LED照明產業的發展，美國光電工業發展協會(OIDA)制定了相應的技術路線圖，計劃到2020年，將LED的發光效率提高到200lm/w，而照明成本降低到3美元，如表1-1。表1-1半導體照明光源發展目標指標2002年2007年2012年2020年發光效率/lm/W2575150200壽命/h20,00020,000100,000100,000光通量/lm2520010001500輸入功率/W1光通價格/$/klm2002052照明成本/$5453顯色指數75808080曰本于1998年在世界率先開展“2l世紀照明”計劃，器在通過使用長壽命、更薄更輕的GaN高效藍光和紫外LED，使得照明的能量效率提高到傳統熒光燈的兩倍，減少CO2的產生，并在2006年完成用LED替代50％的傳統照明光源的目標，整個計劃的財政預算為60億日元。從1998~2002年，耗資50億日元的第一期目標已經完成，曰本正在實施第二期計劃，計劃到2010年將LED的發光效率提高到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、跨行業的“國家半導體照明工程協調領導小組"，提出了我國實施半導體照明工程的總體方針，研究提出中國半導體照明產業發展的總體戰略和實施方案。2004年6月我國由15個科研所和50多個企業參與實施的國家LED固態能源計劃，已由中央政府撥款億元。從2006年的“十一五”開始，國家將把半導體照明工程作為一個重大工程進行推動。我國半導體產業正在進入自主創新、實現跨越式發展的重大歷史機遇。我國出現了很多示范性路燈照明實例。隨著2008年北京奧運會和20l0年上海世博會的陸續申辦成功，北京、上海等主要的舉辦城市加大了對景觀照明的投入，受此影響，2007年LED用于景觀照明市場的規模達到21．2億元。可以預見，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品，廣泛應用于各種照明、顯示和標識，專家估計將會有1000億美元的產業規模。此外，北京和其他地方政府也參與投資開發地方的固態光源。作為一個新型綠色照明光源，LED引起了各國的廣泛關注和深入研究，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的轉型和新興半導體照明產業的崛起，已成為不爭的事實。半導體照明光源具有節能、環保和壽命長等顯著優點，各國都已經認識到了發展半導體照明產業具有重要戰略意義：1、半導體照明是節能的“富礦”，同樣亮度下耗電僅為普通白熾燈的1／10節能燈的1／2，使用壽命卻可以延長100倍；2、半導體照明是安全、健康的“綠色光源”，環保效果明顯，半導體照明光源直流、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標準，并通過節能降耗減少火力發電產生的C02、S02和粉塵的排放量。此外，半導體照明的數字化照明應用和豐富的視覺效果可以調節人的生理和心理，營造氣氛，帶來健康舒適的生活和工作環境；3、半導體照明有著巨大的市場及發展潛力，對調整傳統照明產業結構，提升產業國際競爭力意義重大；4、半導體照明產業涵蓋節能、環保、高技術、微電子、基礎裝備制造等諸多領域，發展半導體照明產業，對信息產業、汽車電子、原材料與裝備制造、消費類電子、航空航天、太陽能光伏以及整個光電子產業等領域均起到重要的帶動作用。[7]1.4研究的內容本文作者在畢業設計過程中，對本課題作了以下幾個方面的工作：(1)查閱大量的文獻資料，了解LED光源照明的特點，并與傳統光源照明做比較；(2)分析LED照明系統地光強分布以及光場的模擬；(3)了解道路照明指標并采取方案；(4)在現有論文的基礎上，設計一個LED路燈。

2LED光源與傳統光源的比較2.1傳統光源的優缺點傳統光源的優點：1、傳統光源技術較成熟，散熱問題控制的很好，因此光衰較小，發光效率高2、造價便宜，LED燈具比之傳統的高壓鈉燈價格要高出3~4倍，相對于高昂的LED燈具的投資成本和運行成本，傳統燈具在價格上的具有巨大的優勢。3、光照距離長，射程遠。傳統光源光線不容易發散，因此，其照明距離相對于LED光源來說，具有相當的優勢。4、技術要求低，相對于新型LED路燈高科技的要求，傳統光源大多的高壓鈉燈的技術含量相對降低很多，對于絕大多數人具有很強的操作性。5、傳統光源的均勻度較高，同樣里程的道路，高壓鈉燈使用的燈數可以比LED燈具減少20%~30%。傳統光源的缺點：1、污染環境，含有汞、鈉等有害元素，對環境造成較大的影響。2、浪費能源，傳統燈具需要較高的維護成本和大耗電量。3、使用壽命短，金屬鹵化物燈的壽命在6000~12000小時，高壓鈉燈的壽命是12000小時，相對于LED光源的10萬小時的壽命，傳統光源相對遜色不少。4、顯色性低，顯色指數低會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光的光源，需要將一個半空間的出射光線改變180°方向投向另一半空間內。當我們依賴反射器來完成時，反射器對光線的吸收和光源自身的擋光是不可避免的。6、高壓鈉燈燈泡啟動時間長，在通電5～10分鐘左右，才能達到正常亮度，再次啟動的時間間隔一般要大于5分鐘。7、高壓鈉燈發光顏色為黃色，色溫及顯像指數都比較低。太陽顯像指數為100，而高壓鈉燈的顯像指數僅為20左右（黃光）。8、鈉燈由于燈亮燈滅時溫度差異很大，若燈體不帶呼吸系統，發射器容易被有害氣體腐蝕而產生較大的光損。9、高壓鈉燈易碎，抗震能力差。2.2LED光源的優缺點LED光源的優點：1、高效節能，LED最大的優勢體現在節能上。LED采用直流驅動，超低功耗（單管0.03-0.06瓦），電光功率轉換接近100%。據統計白光LED的能耗僅為白熾燈的1/10，節能燈的1/4。節能是我們考慮使用LED光源的最主要原因，也許LED光源要比傳統光源昂貴，但是用一年時間的節能收回光源的投資，從而獲得5年以上的每年幾倍的節能凈收益期。2、超長壽命，LED二極管平均壽命5萬小時以上，高標準的可以達到10萬小時以上。按每天使用12小時計算，可以用100000/12/365＝年。更高一點的說每天使用3-5小時，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，節省材料成本和人工費用，并能確保長期正常使用。3、利環保：LED是一種綠色光源，環保效益更佳。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，光源對物體本身顏色呈現的程度稱為顯色性，也就是顏色逼真的程度；光源的顯色性是由顯色指數Ra來表明，正常情況下把太陽的顯色指數定為100，LED的發出的光線能量集中度很高，集中在較小的波長窗口內，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，在計算機技術控制下使三種顏色具有256級灰度并任意混合，即可產生256×256×256＝16777216種顏色，形成不同光色的組合變化多端，實現豐富多彩的動態變化效果及各種圖像。這樣的話，它就可以滿足不同客戶對個性光環境的需求。6、產品外觀多樣化，LED按發光管出光面特征分圓燈、方燈、矩形、面發光管、側向管、表面安裝用微型管等。LED元件的體積可以做的非常小，更加便于各種設備的布置和設計。因此可以根據需要設計成各種各樣的樣式，滿足多樣化的需求。7、性能穩定、安全可靠，LED低壓直流發光，發熱量低、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。8、高新尖：與傳統光源單調的發光效果相比，LED光源是低壓微電子產品，成功融合了計算機技術、網絡通信技術、圖像處理技術、嵌入式控制技術等，所以亦是數字信息化產品是半導體光電器件"高新尖"技術具有在線編程、無限升級、靈活多變的特點。9、LED路燈有獨特的二次光學設計，將LED路燈的光照射到所需照明的區域，進一步提高了光照效率，以達到節能目的。LED光源存在的缺點：1、無論是單點還是多點光源的LED路燈都存在著散熱的問題。一盞采用250W高壓鈉燈的路燈，由于技術較成熟，散熱控制的很好。即使工作5000個小時后，光衰仍然較小，發光效率還可以達到70%。以目前的技術，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，發光效率會下降到30%，如果想加大電壓電流的方法提高光效，很容易造成LED芯片損毀的現象。2、LED路燈造價較高，不利于推廣普及。雖然有些公司通過技術手段，初步解決了LED路燈的散熱問題，但是過高的價格和過重的燈頭仍然會阻礙LED路燈的普及。并且以目前的技術，LED路燈尚未達到理論的10萬小時之久。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，由于光線比較發散，就算采用了很好的聚光調節，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、大量品質差、亮度低、壽命短的LED路燈充斥市場。品質好的LED照明產品可能有4萬~5萬小時的壽命，品質差的5千小時都沒有，這也是目前LED行業價格相差很大的原因。大量的偽劣產品影響了人們對LED路燈的認同，影響了LED路燈的普及。5、對道路照明要求感悟不足，科學性點光源光學配光難點及對色溫在道路照明中的重要性忽略，易造成眩光，斑馬效應和在空氣污染嚴重，下雨有霧天氣的環境中，造成燈亮地面不夠亮的現象。6、LED路燈模塊化的可靠性仍需加強，由于驅動電路等原因也會造成LED路燈的失效。[8]~[13]

3對光場的要求以及光場模擬3.1道路照明指標及采取的方案道路照明指標[14]作為道路照明的質量評價指標，IES、CIE以及我國的國家標準對道路照明均有明確的光度要求規范，其中包括以下幾點：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（對比）才能察覺到障礙物。所需的對比值取決于視角及觀察者視場中的亮度分布，后者決定觀察者眼睛的適應條件。視角越大（當觀察者至障礙物的距離不變時，障礙物越大），路面亮度越高，眼睛的對比靈敏度越高，覺察障礙物的機會也就越大。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域產生很低的亮度，因而在這些區域里對比值低、閾值對比高。同時，視場中大的亮度差，也會導致眼睛的對比靈敏度下降和引起所謂瞬時適應問題，以致不易覺察出在這些較暗區域里的障礙物。因此，為了使路面上各個區域里的各點都有足夠覺察率，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，路面仍有可能出現部分亮、部分暗的不舒適感覺。所以從舒適性考慮，應限制沿車道中心線上最亮區和最暗區的亮度差，即縱向均勻度。表3-1為對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或者亮度變化太大所產生的刺眼效應。它分直射眩光和反射眩光兩種形式。直射眩光是指光源發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。強烈的眩光會使室內光線不和諧，使人感到不舒適，嚴重時會覺得昏眩，甚至短暫失明。4、視覺誘導視覺誘導性不能用光度參數來表示，但它也是道路照明質量評價的一個重要因素。照明設施應能提供良好的誘導性，使駕駛員在一定距離外能夠立刻辨認這條道路的方向，它對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系。表3-1對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≤快速道路商業區≤3≤5≤混合區≤3≤5住宅區≤≤6主要道路商業區≤3≤5≤混合區≤3≤5住宅區≤≤6次要道路商業區≤3≤5≤混合區≤≤6住宅區≤4≤8其他道路商業區≤6≤10≤混合區≤6≤10住宅區≤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光源做一定的調整。因為路燈在路面縱向要照射到比較大的范圍，所以應選用發散角大的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。考慮到具體情況，按量化指標限制眩光還有困難，故一般采用截光型和半截光型燈具來限制眩光，此時，眩光控制大都能夠滿足要求。為切實控制眩光，道路交叉口的半高桿照明不能過多，降低路面照度，并認真調整泛光燈透射角；平直路段的燈具應使橫向對稱面垂直于路面；在出現駝峰的坡道上，應縮小燈具的安裝間距，并采用截光型燈具；立交橋面出現較陡的坡度、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，必要時應采用嚴格控光燈具(可在燈具內裝上專用的擋光板或格柵)。3、誘導性誘導性的產生在于統一和有規律變化，突變或斷裂意味著誘導性的終結。因此，同一道路的路燈光色須統一，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，為了避免或減少撞桿事故，燈桿距路緣的距離應大于0.5m。在雙側布燈路段時，宜采用對稱布置，不宜采用交錯布置，以免降低誘導效果；轉彎處的燈具不得安裝在直線路段燈具的延長線上，以免司機誤認為是道路向前延伸而導致事故。LED光源的光強分布以及光場模擬光源在指定方向上的一個很小的立體角元內所包含的光通量值，除以這個立體角元，所得的商就定義為光源在此方向上的發光強度，以I表示，表達式為(3-1)現有的LED發光源是光強分布近似朗伯源的點光源，單個的功率都在1瓦左右，而道路照明往往要求有特定形狀的被照光場，如國家規定主干道路燈的照明區域為10x50平米的矩形區域。因此要組成道路照明系統，就不能簡單地將LED組合一起，這樣形成的圓形光場將不利于光能的利用，無法滿足國家標準對整個被照區域光照度均勻性的要求。如果能夠將LED芯片發出的光合理的分配道路面上面，在路面上面形成一個均勻照度的長方形區域，則可以在低的發光效率下實現高于高壓鈉燈的能量利用率。LED大量應用要求是圓柱、圓球封裝，由于凸透鏡的作用，故都具有很強指向性。位于法向方向光強最大，其與水平面交角為90。。當偏離正法向不同θ角度，光強也隨之變化。發光強度隨著不同封裝形狀而強度依賴角方向．由于LED的封狀特點，使得LED光強在發光角度上顯示出很大的不均勻性，除了LED機械軸心線上的光強外，其他角度的光強也對LED的性能有很大影響，鑒于大多數LED是前向束狀發光，因此以LED機械軸為中心的半圓測量線上所有不同角度的LED光強值就構成了整個的LED光強分布曲線，也叫配光曲線。普通LED空間光強分布曲線如圖3-2所示[16]。圖3-2普通LED空間光強分布曲線3.3LED照明系統的二次設計3.3.1引言對LED道路照明燈具進行二次光學系統設計,其意義在于改變燈具的光度指標,從而改善道路照明的照明均勻度和眩光等指標。現階段單個LED的功率還達不到普通照明的要求，因此采用LED的路燈照明必須對LED進行陣列。在LED路燈照明光學系統中，對地面的光照度分布有影響的因素有LED的陣列形式、LED的數量、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，我國道路照明設計的依據是國家建設部于1992年頒布并實施的《城市道路照明設計標準CJJ45-91》，該標準對不同道路類型的路面所需要達到的光照度作出了具體的定量規定。[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陣列來替代傳統光源，采用傳統燈具的設計思想和設計形式，只對驅動控制電路和散熱器件加以調整，然后套上普通燈罩，并沒有對LED的安裝角度和發散角大小加以調整或設計。用這種方法可以替換現有的傳統光源，而燈具外形不發生改變，但LED空間光分布特性與傳統光源差別較大，用傳統光源的配光方法反而會降低光的利用效率，而且LED芯片的散熱也是一個很難解決的問題。如圖3-3所示：圖3-3根據傳統燈具設計方法設計的LED路燈另一種是多顆LED以陣列形式組成光源，但將LED設置在弧形曲面上，以此來調整LED的角度，并將LED在矩形區域內多列多行縱橫排列，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的發散角，LED水平分布，且每顆LED都有相應的透鏡與之對應；或者同時控制LED的安裝角度和光發散角，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應，LED陣列處在同一平面上3.3.3LED路燈設計在本節中，本文作者要設計一款LED路燈使其滿足城市道路照明設計標準的要求(CJJ45—91)。在LED路燈照明光學系統中，對地面的光照度分布有影響的因素有LED的陣列形式、LED的數量、LED之間的間距、LED路燈離地面的高度、LED路燈之間的間隔。目前現有的LED路燈多單純采用反光面結合LED放置方向來進行光學系統的設計，這種設計方法很難達到滿意的路面均勻度，而且會造成很多光線的浪費，同時使燈具的外形設計受到了限制。因此本文采用LED陣列加透鏡的方式來設計光學系統。為了盡量減少LED的使用數量，我們選取流明數高、可靠性好、且現在已經能商用的LED。經過綜合評價，選用lumileds公司的rebel系列的冷白光源作為LED路燈的光源。具體型號為LXML—PWCl—0080，在結溫250C，驅動電流350mA時，總光通量為801m，驅動電流驅動電流700mA時，總光通量為1451m，發散角為1600，光強分布可以看似為朗伯體。考慮到LED的光能在傳播中的損耗，以及溫度對LED光轉化效率的影響，我們將LED的顆數設為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。現用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現，如果將LED水平向下放置照射路面，照明面積難以覆蓋整個路面；由于路燈位置分布非路面中心點，而離一邊只有1米距離，光能一部分照射到路面外面，能量浪費嚴重；且其發散角較大，均勻無法達到國家標準的要求。因此我們必須對LED進行配光設計，使其滿足照明需要。出于成本控制和路燈可擴展性等因素的考慮，我們采用區域分割法對LED路燈進行光學設計。具體方案如下：將60顆LED分為10列，每列6顆，并將路面進行分割，讓每一列LED負責一片路面區域，通過調整這10列LED的出射光角度，照亮與之相對應的區域，通過疊加實現道路的均勻照明。由于LED發散角太大，尤其難以滿足路面長度方向較遠處的照明，因此我們用目前使用較為廣泛的LED聚光透鏡如圖3-7對光線進行準直，減小其發散角的大小使其滿足局部照明的要求。利用光線在透鏡側面的全反射和透鏡端面的折射來控制LED的發散角，利用全反射原理，使光線在反射過程中能量不損耗，最終透光率能達到93％。圖3-7LED聚光透鏡通過選擇不同發散角的LED透鏡，利用ASAP仿真軟件，經過多次疊加、優化之后將路面照明區域填滿，最終得到的結果如圖3-8所示[18]：圖3-8最終優化結果從上面的圖文，我們可以得知路燈照度分布均勻，達到了我們的預期目標，達到了國家標準。根據國家有關規定，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)單側布置H≥WeffS≤3HS≤4H交錯布置S≤3HS≤4H對稱布置S≤3HS≤4H注：Weff為路面有效寬度(m)因為要控制眩光效應，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，不應超過4∶1。目前傳統的路燈大多不能完全的照亮整個道路，在路面上會連續反復出現一系列亮與暗的橫帶,稱之為“斑馬效應”，如圖3-10所示：圖3-10傳統路燈路面照射效果通過我們一系列的設計與調整，使用設計的LED路燈，我們可以得到更均勻，更舒適的照明環境，從而提高道路的照明質量，如圖3-11所示：圖3-11LED路燈路面照射效果4總結本文研究的出發點是LED照明系統，主要工作致力于LED光源與傳統光源的比較以及LED光源的光強和廣場的模擬,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光源的優缺點。在查閱傳統光源的優缺點的資料時遇到了一定困難，由于現在基本上都放棄了傳統光源的使用，相關的資料比較難找，后來在老師和同學的幫助下，通過各種途徑，收集到了充足的資料。由于畢業設計時間比較倉促，本次設計本文作者并沒有掌握使用ASAP這個仿真軟件，借鑒了他人的實驗結果，這個也是本次畢業設計一個遺憾的地方。在優化LED光源與透鏡夾角和方向的時候，沒有給出詳細的計算過程跟優化的參數，主要對最終的優化結果做了簡單的分析。LED照明系統主要跟單顆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。通過畢業設計期間查閱資料，自主的學習與分析，對此有了一定程度的認識。最后就是整理論文了，對先前做的所有的工作進行系統的總結。經過三個多月的努力，我的畢業設計終于完成了。在這次做畢業設計期間，讓我學了很多沒有接觸過的新知識，同時很好地把大學期間學到的有關專業知識系統地復習了一下，覺得自己學到的知識在實際生活中運用還是有一點距離的。通過這次做畢業設計，發現自己以前對一些事物的看法有點太片面，單純的從某一方面去考慮問題。畢業設計不僅是對大學四年所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業設計，我發現自己還有很多不足的地方需要改進，還有很多需要學習進步的地方，在以后的人生中需要不斷地完善自己。通過這次畢業設計，我明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己知識和綜合素質。在設計過程中，我通過查閱大量有關資料，與同學交流經驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設計中我懂得了許多東西，也培養了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習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，使我充分體會到了在創造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。畢業設計即將結束，這也意味大學的學習生活即將結束，但是我會在以后的工作道路上繼續學習專業知識，努力拼搏，在光學的道路上能夠前進得更遠。

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，楊老師平日里工作繁忙，但在我做畢業設計的每個階段，從查閱資料，研究內容的確定和修改，后期詳細批閱等，楊老師多次詢問畢業設