[摘要摘要當(dāng)前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，節(jié)約能源是我們未來(lái)面臨的重要的問(wèn)題，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(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，二十一世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新型照明光源時(shí)代。1高節(jié)能：節(jié)能能源無(wú)污染即為環(huán)保。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%，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上。2壽命長(zhǎng)：LED光源有人稱它為長(zhǎng)壽燈，意為永不熄滅的燈。固體冷光源，環(huán)氧樹脂封裝，燈體內(nèi)也沒(méi)有松動(dòng)的部分，不存在燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰等缺點(diǎn)，使用壽命可達(dá)6萬(wàn)到10萬(wàn)小時(shí)，比傳統(tǒng)光源壽命長(zhǎng)10倍以上。3多變幻：LED光源可利用紅、綠、藍(lán)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。4利環(huán)保：環(huán)保效益更佳，光譜中沒(méi)有紫外線和紅外線，既沒(méi)有熱量，也沒(méi)有輻射，眩光小，而且廢棄物可回收，沒(méi)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。5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(wú)限升級(jí)，靈活多變的特點(diǎn)。LED被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領(lǐng)域。多年來(lái)，LED照明以其節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，已受到國(guó)家和各級(jí)政府的重視，各地紛紛出臺(tái)相關(guān)政策和舉措加快LED燈具的發(fā)展；LED燈的應(yīng)用由于LED燈有其它燈具無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，LED燈正以非常快的速度發(fā)展并逐漸取代其他燈具，現(xiàn)在LED燈已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在各照明領(lǐng)域中。由于LED體積小，應(yīng)用靈活，可以排列成各種形狀，能夠用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行控制，所以可以顯示出文字、圖像、動(dòng)畫、影視等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的圖案。在2008年的北京奧運(yùn)會(huì)開幕式上，LED燈就顯示了它無(wú)盡的魅力和優(yōu)勢(shì)。LED被大量使用在公眾顯示器中，如各種信號(hào)燈、景觀照明、廣場(chǎng)街道的美化、公共娛樂(lè)場(chǎng)所美化、舞臺(tái)效果照明、建筑照明等。在液晶顯示器中，LED被用作電腦、電視機(jī)和手機(jī)等顯示屏幕的背光源。

在交通道路上，LED已經(jīng)用于可控節(jié)能型路燈照明、隧道燈照明、立交橋照明、交通信號(hào)燈等。在汽車燈具方面，現(xiàn)在許多轎車的制動(dòng)燈、位置燈、轉(zhuǎn)向信號(hào)燈、后霧燈、倒車燈等燈具都開始采用LED光源。隨著LED技術(shù)的不斷提高，技術(shù)問(wèn)題不斷得到解決，大功率LED燈具的不斷出現(xiàn)，LED在室內(nèi)照明、汽車燈具、演播廳、觀片燈等領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更加普及。

LED雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在著許多不足和技術(shù)問(wèn)題有待進(jìn)一步改進(jìn)和解決，下面從幾個(gè)方面對(duì)之進(jìn)行了討論。

1.大功率LED技術(shù)。LED存在靜電釋放損害和熱膨脹系數(shù)等效能瓶頸和散熱問(wèn)題，使其功率不能做得很大，亮度低。目前常用的性能比較穩(wěn)定的大功率LED芯片是1W和3W。可以通過(guò)集成芯片提高LED功率，但現(xiàn)在技術(shù)還不成熟，主要是需要解決散熱問(wèn)題。也可以通過(guò)多珠L(zhǎng)ED的串、并聯(lián)或混聯(lián)實(shí)現(xiàn)大功率LED燈具。后兩種效率較低，用的較少，多珠L(zhǎng)ED串聯(lián)是目前LED燈具在照明領(lǐng)域應(yīng)用的主流。但是單珠串聯(lián)有個(gè)致命弱點(diǎn)，一顆損壞，整路不通。這是制約大功率LED燈具在照明領(lǐng)域應(yīng)用的一大瓶頸。提高LED燈具的功率，一是從芯片方面提高功率，另一是優(yōu)化電路設(shè)計(jì)提高功率。

2.散熱技術(shù)。溫度是影響LED的一個(gè)重要因素，溫度升高會(huì)使LED的光衰減加快，而芯片結(jié)點(diǎn)處的溫度直接影響LED的壽命，所以LED散熱能力的強(qiáng)弱限制了LED的功率大小。

LED內(nèi)部的熱量主要由LED芯片和印刷電路板工作時(shí)產(chǎn)生，對(duì)于小功率LED，通過(guò)自然傳導(dǎo)對(duì)流的方式就可以把熱量散發(fā)出去，但對(duì)于大功率LED就要考慮多方面散熱。在散熱設(shè)計(jì)上，通常從LED封裝散熱、電路板散熱和增加散熱部件等方面考慮。

3.芯片技術(shù)和芯片封裝技術(shù)。芯片技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵是襯底材料的選擇和外延片的生長(zhǎng)技術(shù)。技術(shù)提升的關(guān)鍵都是圍繞著降低缺陷密度和如何研發(fā)出更高效穩(wěn)定的器件進(jìn)行的，而如何提升LED芯片的發(fā)光效率則是目前整體技術(shù)指標(biāo)的最重要衡量標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的襯底材料有藍(lán)寶石、Si、SiC，目前比較熱門的材料有ZnO、GaN等。制造外延片的主流方法是采用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積。據(jù)2011年LED環(huán)球在線報(bào)道，美國(guó)北卡羅來(lái)納州大學(xué)提出了一種新的氮化鎵生長(zhǎng)工藝，這一新工藝有望把材料的缺陷減低千分之一，從而制造出更高亮度的LED發(fā)光二級(jí)管。

4.光學(xué)設(shè)計(jì)技術(shù)。LED是點(diǎn)光源且方向性好，通過(guò)LED點(diǎn)陣設(shè)計(jì)、透鏡和反光裝置的設(shè)計(jì)及二次光學(xué)設(shè)計(jì)甚至三次光學(xué)設(shè)計(jì)，可以達(dá)到較理想的配光曲線，這也是光學(xué)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。在整體照明中，需要燈具有較大的照射面，可以使用線性LED燈條配以導(dǎo)光板等技術(shù)使之成為面光源。LED汽車信號(hào)燈可由反射鏡和配光鏡組成，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)可達(dá)到法規(guī)配光要求的光形分布。

5.驅(qū)動(dòng)技術(shù)。LED恒流驅(qū)動(dòng)一般有電感型和開關(guān)電容型兩種LED驅(qū)動(dòng)，電感型LED驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電流高，LED的端電壓低，適用于驅(qū)動(dòng)多只LED的應(yīng)用。電容型LED驅(qū)動(dòng)常用在大功率LED燈具中，其LED的端電壓和電流高，可獲得高的功率和發(fā)光效率。LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)根據(jù)具體的需要可能會(huì)很復(fù)雜，但是在電路設(shè)計(jì)時(shí)必需考慮電源要有高的可靠穩(wěn)定性以及電路要有浪涌保護(hù)等多種因素。第1章課題整體框架 11.1課題任務(wù) 11.2課題要求 11.3研究意義 1第2章TracePro軟件簡(jiǎn)介 22.1仿真軟件簡(jiǎn)介 22.1.1TracePro簡(jiǎn)介 2第3章設(shè)計(jì)方案 43.1實(shí)現(xiàn)功能描述 43.2選型 43.2.1LED選型 43．2.2反射鏡選型 43.2.3陣列排布選擇 43.3建模 43.2.1LED建模 43.2.2反射鏡建模 93.2.4接收板建模 第4章光學(xué)模擬及修改 134.1光學(xué)模擬 134.1.1材料設(shè)置 134.1.2光源設(shè)置4.1.3模擬及結(jié)構(gòu)查看4.2修改4.3陣列排布4.4總成光學(xué)模擬確認(rèn)4.3實(shí)現(xiàn)展示 25第5章總結(jié) 28參考文獻(xiàn) 29致謝 30附錄 311.1課題任務(wù)LED作為新一代光源，其發(fā)展趨勢(shì)勢(shì)不可擋，其節(jié)能，環(huán)保，壽命長(zhǎng)，體積小等優(yōu)點(diǎn)，使市場(chǎng)應(yīng)用前景很大。就民用燈具市場(chǎng)而言，現(xiàn)目前LED燈具存在尺寸大，照度不均勻等問(wèn)題，本論文將用TracePro軟件設(shè)計(jì)出一款尺寸精巧，燈具部分尺寸控制在直徑150mm，高度35mm，照度均勻，并符合臺(tái)燈國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9473-2017LED的臺(tái)燈。1.2課題要求本次課題要求用TracePro軟件設(shè)計(jì)LED燈具模型，并進(jìn)行光學(xué)仿真。仿真結(jié)果必須符合臺(tái)燈國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9473-2017中A級(jí)。如下圖所示照度之比：在100mm處和300mm處各分別均勻取5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，算出算術(shù)平均照度，這兩平均照度比為照度之比。1.3研究意義臺(tái)燈應(yīng)用在書桌辦公類場(chǎng)所，其小巧、可移動(dòng)、可調(diào)整的特性，對(duì)學(xué)生、還是從事桌面工作的人來(lái)說(shuō)，都能提供一個(gè)良好的光照條件，對(duì)提高學(xué)習(xí)質(zhì)量和工作效率，保護(hù)眼鏡有很大好處。LED照明的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)輻射、高效率、壽命長(zhǎng)、節(jié)約能源而且色溫可調(diào)整。因此，LED臺(tái)燈很適合桌面照明。2.1仿真軟件簡(jiǎn)介TracePro是一款強(qiáng)大的光學(xué)仿真軟件，由美國(guó)LAMBDARESEARCHCORPORATION開發(fā)，常用來(lái)做照明系統(tǒng)分析、傳統(tǒng)光學(xué)分析和輻射度以及光度分析，支持蒙地卡羅(MonteCarlo)光線追跡、分析、CAD匯入/匯出等功能，幾乎可以解決所有光線追跡上的問(wèn)題。TracePro主要功能1、光強(qiáng)分布

2、系統(tǒng)光效、亮度、照度分布

3、光照實(shí)景渲染

4、熒光粉熒光效應(yīng)

5、在照明和成像系統(tǒng)中光的分布情況

6、系統(tǒng)每個(gè)元件及物面上流明的入射、吸收及照度分布情況

7、對(duì)照明精確的建模和性能分析

8、界面簡(jiǎn)潔直觀，易于操作，友好的設(shè)計(jì)便于分析師和工程師的運(yùn)用

9、能與CADSolidworksAutoCadProEngineer等格式3D模塊接TracePro應(yīng)用范圍TracePro可以同時(shí)或個(gè)別考慮反射、折射、吸收、雙向散射(BSDF)、體散射(bulkscatter)、漸變折射(gradientindex)、光學(xué)薄膜(thinfilmstack)、熒光粉(Fluorescence)及偏振膜(polarization)等光學(xué)材料行為。搭配MonteCarlo的統(tǒng)計(jì)采樣計(jì)算方法，其光線追跡的結(jié)果十分可靠，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)光學(xué)行為。TracePro是一套與工業(yè)設(shè)計(jì)軟件可以快速而輕易接軌的光學(xué)分析軟件，能顯著提升企業(yè)對(duì)產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)新的能力；而其準(zhǔn)確可靠的分析能力，使其在全球與臺(tái)灣的市場(chǎng)占有率都非常的杰出，并被各項(xiàng)產(chǎn)業(yè)廣泛地使用，其實(shí)際相關(guān)的應(yīng)用范疇包括：顯示器產(chǎn)業(yè)；LED光源照明產(chǎn)業(yè)；傳統(tǒng)光源照明產(chǎn)業(yè)；汽車產(chǎn)業(yè)；生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)；航空國(guó)防產(chǎn)業(yè)；消費(fèi)性電子產(chǎn)業(yè)；3.1設(shè)計(jì)方案3.1.1實(shí)現(xiàn)功能描述此LED臺(tái)燈光源采用LED，通過(guò)反射鏡將LED發(fā)散的光線反射出去。采用一顆LED匹配一個(gè)反射鏡，最終由多個(gè)LED和反射鏡環(huán)形陣列排布組組成。此LED臺(tái)燈包含燈罩、反射鏡、燈殼、底座、線路板總成。LED均勻布置在線路板上。為了精巧設(shè)計(jì)尺寸，將此LED臺(tái)燈的燈具部分的大小尺寸控制在直徑150mm、厚度控制在35mm以內(nèi)。為了滿足臺(tái)燈國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9473-2017中A級(jí)要求（如下圖），此臺(tái)燈組成中，主要通過(guò)調(diào)整反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)；其他燈罩其保護(hù)作用，燈殼其裝配固定作用，底座其支撐作用；線路板起貼片焊接固定、線路布線作用。3.2LED選型LED英文為（lightemittingdiode），LED燈珠就是發(fā)光二極管的英文縮寫簡(jiǎn)稱LED，這是一個(gè)通俗的稱呼。發(fā)光原理:PN結(jié)的端電壓構(gòu)成一定勢(shì)壘，當(dāng)加正向偏置電壓時(shí)勢(shì)壘下降，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，所以會(huì)出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成對(duì)P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的形式釋放出去。LED分類：分為插件式和貼片式插件式LED貼片式LED隨著LED產(chǎn)業(yè)的反發(fā)展，以及自動(dòng)化的應(yīng)用，貼片式LED的焊接和自動(dòng)化程度要優(yōu)于插件式LED，并且貼片LED直接通過(guò)SMT設(shè)備高速自動(dòng)化焊接質(zhì)量及效率要高于插件式LED，采用自動(dòng)化SMT貼片焊接，使得制造工藝簡(jiǎn)化，大大節(jié)約人力、節(jié)約成本。故此LED臺(tái)燈采用貼片LED.根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9473-2017中關(guān)于LED的要求，以及對(duì)色溫及顯色指數(shù)的的考慮。最終選擇歐司朗GWJTLMS1.CM_EN2835為本次臺(tái)燈設(shè)計(jì)用LED，具體參數(shù)如下：1、規(guī)格尺寸2、配光曲線3、光通量3.2.2反射鏡選型反射鏡是為了將LED發(fā)出的大角度光線集中，提高光的利用率。只要能達(dá)到這個(gè)目的，任何形狀的反射鏡都可以。本次設(shè)計(jì)，采用了雙曲線型反射鏡。盡可能的將LED發(fā)出的光線聚焦利用。3.2.3LED陣列排布為滿足ELD臺(tái)燈GB9473-2017國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到閱讀臺(tái)燈的照度要求，此處選擇環(huán)形陣列排布。為設(shè)計(jì)出的臺(tái)燈尺寸控制在直徑150mm以內(nèi)，選擇環(huán)形排布更優(yōu)3.3建模3.3.1LED建模根據(jù)所選擇的LED的規(guī)格書，在TracePro中建立LED模型。打開TracePro，創(chuàng)建LED。●從“插入”下拉菜單中，選擇“幾何物件”命令。●選擇“方塊”模型，輸入寬度X=2.8，Y=3.5，Z=0.7，點(diǎn)擊“插入”，創(chuàng)建LED。3.3.2反射鏡建模創(chuàng)建反射鏡。●從“插入”下拉菜單中，選擇“反射鏡”命令。●選擇“二次曲線反射器”模型，形狀選擇“雙曲面”計(jì)算選擇“直徑”厚度輸入：1.5；長(zhǎng)度輸入14；開口半徑：3；前焦距：0.5；后焦距：2.8。點(diǎn)擊“插入”，創(chuàng)建反射鏡。3.3.2反射鏡建模創(chuàng)建接受面●從“插入”下拉菜單中，選擇“幾何物件”命令。●選擇“方塊”模型，輸入寬度X=1000，Y=1000，Z=1，點(diǎn)擊“插入”，創(chuàng)建接受面。4光學(xué)模擬及修改4.1光學(xué)模擬4.1.1材料設(shè)置由于此臺(tái)燈主要是通過(guò)反射鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)聚光照射。只需要設(shè)置反射鏡反射面材質(zhì)即可，如下第一步，選擇反射面第二部，設(shè)置反射面熟悉，點(diǎn)擊右鍵“屬性，在表面中，目錄選擇“成鏡面。點(diǎn)擊應(yīng)用，完成反射鏡反射面屬性設(shè)置。”4.1.2光源設(shè)置●從“定義”下拉菜單中，選擇“表面光源設(shè)定”命令，并選擇LED發(fā)光面。根據(jù)LED選型得知LED的光通量，選擇G8與G9之間，光通量選擇24lm。在表面光源中，發(fā)射形式選擇“光通量”，單位選擇“光度學(xué)”，場(chǎng)角分布選擇“Lambertian發(fā)光型場(chǎng)”總光線數(shù)設(shè)置1000000.5461，用”，完成LED表面光源參數(shù)設(shè)置。4.1.2模擬及結(jié)果查看單顆LED和反射鏡光學(xué)模擬，點(diǎn)擊“光線追跡”命令，等待完成。通過(guò)分析得知，單顆LED照射時(shí)，在R300mm處的照度為28Lx左右。為滿足GB9473-2017國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，LED數(shù)量需要在11顆以上。4.1.3陣列排布參考相關(guān)論文文獻(xiàn)可知，LED是一種非相干光源，幾個(gè)LED對(duì)平面上某一區(qū)域的光照度為單個(gè)的疊加。如果要讓兩個(gè)同一平面的LED光照度均勻性較好，要滿足d=0.21×z，其中d為兩個(gè)LED之間的最大距離，z為L(zhǎng)ED與接受面的距離。將本次設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)z=420mmd為88.2mm。即兩個(gè)LED之間的距離不超過(guò)88.2mm就能使光照度均勻性較好。考慮臺(tái)燈的尺寸要控制在直徑150mm內(nèi)，并且LED數(shù)量要大于11顆，通過(guò)圓形陣列分布，最終LED數(shù)據(jù)選擇19顆，并均分環(huán)形排列，最終LED陣列如下。4.1.3陣列排布光學(xué)模擬將陣列的LED定義表面光源參數(shù)，將陣列的反射鏡定義表面屬性，最后光線追跡，結(jié)果如下。可以從照度圖看出，光斑偏小，中心點(diǎn)位置亮度偏高。根據(jù)LEDGB9473-2017國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)300mm處，照度為220Lx，不滿足要求，另外，通過(guò)計(jì)算照度之比為2.1，小于3.5，照度比滿足要求。為了增大光斑大小，提高300mm的照度，讓照度均勻。將反射鏡設(shè)置以下四組。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)來(lái)確定反射鏡。分析對(duì)比結(jié)果如下從以上對(duì)比可以看出，效果最好,具體如下半徑300mm處照度達(dá)到420lx以上，均勻度為1.16。符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB9473-2017中A級(jí)。4.3實(shí)現(xiàn)展示圖4-22最終設(shè)計(jì)模型圖從最終結(jié)果的照度圖可以看出，總光通量達(dá)到299.9lm，光利用率達(dá)到98.189%，達(dá)到使用要求。半徑300mm處照度達(dá)到390lx以上，符合LED臺(tái)燈國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。且從照度圖跟輔助曲線中可以看出，中心區(qū)域照度達(dá)到較好的均勻性，沒(méi)有亮斑，通過(guò)計(jì)算，照度之比為1.1，低于3.5，符合臺(tái)燈國(guó)家標(biāo). PAGEPAGE29第5章總結(jié)本文根據(jù)LEDCREEC