logo资料库

LED照明光学系统的设计及其阵列光照度分布研究.pdf

发布时间：2022-06-18 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.52M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
第1页 / 共71页
第2页 / 共71页
第3页 / 共71页
第4页 / 共71页
第5页 / 共71页
第6页 / 共71页
第7页 / 共71页
第8页 / 共71页
资料共71页，剩余部分请下载后查看
    文摘
    英文文摘
    致谢
    第一章绪论
    §1.1引言
    §1.2 LED发展的历史和现状
    §1.3 LED发光机理和结构
    §1.4本论文完成的主要工作
    第二章照明光学系统CAD的理论基础及方法
    §2.1引言
    §2.2照明光学系统的特点
    §2.3光线追迹方法
    §2.4照明光学系统的实体建模
    §2.5照明光学系统计算机辅助设计的基本步骤
    第三章LED的光学建模
    §3.1引言
    §3.2光源建模的基本要素
    §3.3光源模型的基本要求
    §3.4 LED芯片发光的理论模型
    §3.5 LED的光学模型
    第四章LED的二次光学设计
    §4.1非成像光学
    §4.2设计思路
    §4.3旋转抛物面反射体
    第五章LED阵列的光照度分布研究
    §5.1引言
    §5.2单个LED的光照度分布
    §5.3两个LED的光照度分布
    §5.4正方形LED阵列的光照度分布
    §5.5 LED阵列在路灯照明系统中的应用
    第六章结束语
    参考文献
    附录：在学期间发表的学术论文
    中文摘要
    内容提要 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。关键词:LED，照明光学系统，光强，光照度，LED阵列
    Abstract The main two aspects of LED illumination system, intensity andilluminance, are researched in this thesis by the support of Fujian institute ofoptical technology and Shanghai Xinlu Corporation. Firstly, the optical model of White LED is created with the opticalmodeling software according to theoretical model of LED chip.The result ofraytrace shows that the intensity distribution of the LED optical model isconsistent with that of experiments of true LED. Furthermore, rays comingout of LED is sorted and analyzed in detail. Secondly, the intensity of normal direction is enhanced by thecombination of the LED and parabolic reflector after comparison of differentkinds of nonimaging components. Due to the relative position of LED andparabolic reflector, the intensity of normal direction has two peek values. Thereason of the two peek values is different and the second peek value is greaterthan the first peek value. The relationship between the insertion depth and thepeek value of intensity of normal direction is obtained. Thirdly, illuminance distribution of LED arrays is researched with thecombination of theoretical analysis and simulation of computer. Simulationresults and theoretical analysis show that the illumination uniformity issi娜ficantly affected by the distance between LEDs each other in the LEDarray. In addition, the formula of illuminance distribution of road-surfaceilluminated by LED arrays and the pertinent curves are obtained. The methodof analysis in this thesis can be useful in the application of LED in theillumination engineering.Key words: LED, Illumination System, Intensity, Illuminance, LED Arrays
    致谢丫768825致谢最诚挚地感谢我的导师赖爱光教授和谢树森教授。 本论文的工作在导师赖爱光教授和谢树森教授的指导下完成，对于他们的悉心指导和帮助，谨致以最诚挚的感谢。本论文从选题、实验、数据处理到论文的撰写都得到了导师们的悉心指导:在生活和学习上，导师们也给了无微不至的关怀和帮助。两位导师渊博的学识、活跃的学术思想、敏锐的洞察力、严谨的治学态度、无私的敬业精神和忘我工作的献身精神时刻感染着我、教育我，将使我终身受益，他们的谆谆教诲和殷切期望，学生时刻铭记在心。 感谢三年来院领导和班导师的深切关怀;感谢陈荣教授，邱怡申教授，李晖教授，郭福源副教授、李步洪副教授、杨文琴高工等任课老师的培养;感谢李德品老师，张晓东老师的关怀和支持。 感谢福建省光学技术研究所的梁秀玲高工、陈文清高工积极为我创造良好的实验条件，为论文的完成打下坚实的基础;感谢上海兴禄科技实业有限公司的齐海总经理的热情帮助和指导;感谢光研所林峰工程师、林丽诚高工在光学设计上对我的指导，在此谨向光研所的全体员工致以深深的谢意。感谢胡豪成、林顺华等研究生同学平时有益的探讨。感谢父母多年的培养和倾力支持，他们是作者漫漫求学路上的坚强后盾。 最后再一次对关心谢。作者所获得的培育帮助我的老师、同学、亲人及朋友表示衷心的感磨砺和微薄的能力，将终身受用，并回报社会。胡海蕾2005.4
    第一章绪论第一章绪论'1.1引言 五颜六色的白炽灯和荧光灯，装点着大街小巷，给人们带来光明，带来美好的遐想。随着第三代半导体材料氮化稼的突破和蓝、绿、白光发光二极管的问世，半导体技术在引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命—照明革命，其标志就是用半导体光源逐步替代白炽灯和荧光灯。半导体光源具有体积小、寿命长、节能、环保和安全等特点用它代替白炽灯、荧光灯是人们梦寐以求的目标。面对半导体光源的巨大商机和新一代照明革命的浪潮，美、日、欧、韩等国家和地区纷纷制订发展计划，以抢占半导体照明的制高点.我国也在2003年底紧急启动了“十五”国家科技攻关计划“半导体照明产业化技术开发”重大项目(简称国家半导体照明工程)，使我国半导体照明工程进入实质性推进阶段[1-61 国家半导体照明工程根据我国的国情确立总体目标:抓住照明革命的历史机遇，瞄准成熟的产业技术(低成本技术)，以近期解决市场应用和产品的性价比，中远期培育新兴的大功率通用照明(白光)产业为目标，从形成一个完整产业链的角度出发，体现政府引导、企业主体、市场化运作的原则;以应用促发展、解决产业化的关键技术和原创性核心技术，形成一批专利、培育一批企业、建设一批基地，形成有自主知识产权的标准体系，最终发展成为具有国际竞争力的中国半导体照明新兴产业。具体目标是:解决功率型半导体芯片设计、功率型LED (Li沙t-emitting diode,发光二极管)封装技术及荧光粉等封装材料制备等产业化关键技术，开发出市场急需的特殊照明应用产品，形成原创性核心技术和一批专利;建立具有自主知识产权的半导体照明评价标准和知识产权联盟:建设半导体照明特色产业与应用示范基地，培育一批掌握核心技术的高技术企业。我国己在上海、大连、南昌和厦门四个城市启动半导体照明产业化基地建设，对50多个企业和研发机构提供了专项帮助。 节能、环保是未来社会工业发展的主流，LED照明在节能、环保方面极具发展潜力。普通的白炽灯采用的是热发光技术，其以发热的形式浪费了90%的能源，属“二次光源”，而LED照明灯属“一次光源”，其耗电量
    第一章绪论只是同等亮度白炽灯的十分之一，LED照明的应用将大大节约能源，同时还将减少二氧化碳的排放量和荧光灯的汞污染。据测算，1998年全球照明共消耗2300亿美元的电力，同时在发电过程中还产生4.1亿吨二氧化碳气体，而假如到2025年有一半的普通光源被LED照明取代，那就意味着全球每年将节约电费1000亿美元，并减少3.5亿吨二氧化碳的排放。除节能环保外，LED照明还具有无频闪、无红外和紫外辐射、光色度纯等优点，是当之无愧的绿色光源。因为是以半导体为材料，它具有小型化、长寿命，以及免维护、易控制等优点，这种灯泡的寿命可连续使用10万小时，可以达到普通白炽灯的100倍。 半导体照明给人类展示了无限美好的前景。据报道，全球2000年白炽灯及荧光灯的市场规模约为43亿美元，同年半导体照明产业的市场规模为1.18亿美元，且近年保持40%的增长速度。2002年美国光电工业发展协会预计，半导体灯将于2007年替代白炽灯。科学家也预测，按照目前的技术水平和发展趋势，半导体照明普遍市场开始启动的时间大约会在2006年前后，在未来的5年至10年，这种灯泡很可能成为下一代照明的主流产品(7-111 发展半导体照明产业也是关系到系到我国未来经济发展的战略选择。到2002年年底，我国已是仅次于美国的第二大发电大国，2002年的发电总量为1.65万亿千瓦，其中1.34万亿千瓦为火力发电，仅照明用电就占发电总量的12%，约2000亿千瓦，而且目前仍以每年5%至10%的速度增长，控制照明用电的速度增长对缓解我国电力供应不足将大有益处。同时，火力发电每年需要燃烧大量的原煤和石油，产生大量的粉尘和二氧化碳、二氧化硫气体，造成严重的环境污染，在全国3000个污染大户中，电力占了45%。发展半导体照明绿色产业将在一定程度上缓解我国能源相对短缺、污染日益严重的局面，对国民经济可持续发展战略具有重大意义。' 1. 2 LED发展的历史和现状 从20世纪60年代第一只发光二极管问世以来，LED经历了30多年的指示器和显示器的应用。早期所用的材料GaAsP发红光(650nm)，在驱动电流20mA时，光通量只有千分之几流明(lm，光通量单位)，发光效率只有0. 1 lm/W，只能做指示灯.20世纪70年代，材料研究不断深入，引 2
    第一章绪论入7 In和P，使LED产生绿光(555nm).黄光(590nm)和橙光(610nm),光效提高到1 lm/W，应用进入显示领域。80年代以后，出现了GaAlAs的LED，其封装技术也逐步提高，红、黄色LED光效可达10Im/Wo 90年代初，发红光、黄光的GaAl工nP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[12'141. 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得到了迅速发展，并在普通照明领域显示出良好的应用前景[15.161。表1. 1列出LED的发展进程。 表1. 1 LED发展进程发光材料时间说明GaAsP六十年代低效的红色LEDGaP七十年代高发光效率的红色LEDGaAlAs八十年代进一步提高发光效率，超高亮度红色LEDInGaAlP九十年代MOVPE技术得到发展，白色LED问世InGaN2000年后研制出超高亮度的绿色和蓝色LED 现阶段LED照明光源与传统的照明光源相比较，有如下显著的特点: (1)效率高:按一般光效定义的LED的发光效率并不算高，但由于LED的光谱几乎全部集中于可见光区域，效率可达到80%-90%，而白炽灯的可见光转换效率仅为10%-20%< (2)光色纯，光线质盆高:单一颜色LED的光谱狭窄，谱线单一集中在可见光波段。 (3)能耗小:单体LED的功率一般在0. 05-two (4)寿命长:单体LED在10 mA电流时，典型的正向偏压为2v。通常需串联限流电阻或用电流源。它的寿命可超过100000h. (5)可靠、耐用:没有传统灯饱的钨丝、玻壳等易损部件，维护费用低廉。 (6)应用灵活:体积小，便于造型，可做成点、线、面等各种形式。 (7)安全:单体工作电压为1. 5-5v，工作电流为20-70 mAo (8)响应快:响应时间为纳秒级，白炽灯的响应时间为毫秒级。
    第一章绪论 (9)无污染、全固态:其废弃物不像荧光灯含汞。 (10)控制灵活:通过控制电路很容易调控亮度，实现多样的动态变化效果。' 1. 3 LED发光机理和结构'1.3.1单色LED发光机理 发光二极管是由III-IV族化合物，如GaAs(砷化稼). GaP磷化稼)、GaAsP(磷砷化稼)等半导体制成的，其核心是PN结。半导体PN结发光实质是固体发光，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴，由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合;而当给PN结加以正向电压时，由于外加电场方向与势垒区的自建电场方向相反，因此势垒高度降低，势垒区宽度变窄，破坏了PN结动态平衡，产生少数载流子的电注入。空穴从P区注入N区，同样电子从N区注入到P区。注入的少数载流子将同该区的多数载流子复合，不断的将多余的能量以光的形式辐射出去。'1.3.2白光LED发光机理 白光的LED有着最诱人的发展前景.但半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光【17-221。合成白光的方式有许多种，如表1.2所示。
    分享到：
    赞 收藏

    相关推荐

    资料库

    信息化

    共收录1827份资料，累计6个分类，关注成员有19位，主要包括：管理软件,企业管理,电子商务,其它,IT管理,项目管理

    热门标签

    管理软件 企业管理 电子商务 其它 IT管理 项目管理

    最新资料