白光高功率led做自行車前置燈--畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于基于 LED 光源新型自行車前置燈的設(shè)計(jì)光源新型自行車前置燈的設(shè)計(jì)學(xué)學(xué) 院院 專專 業(yè)業(yè) 年級(jí)班別年級(jí)班別 學(xué)學(xué) 號(hào)號(hào) 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 李大仁李大仁 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 2013 年年 5 月月基基于于LEDLED光光源源新新型型自自行行車車前前置置燈燈的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)李李大大仁仁 物物理理與與光光電電工工程程學(xué)學(xué)院院摘摘 要要近年來(lái)，由于新型 LED 的高速發(fā)展，使 LED 的優(yōu)點(diǎn)能在更多的領(lǐng)域得到充分的發(fā)展。本論文以高功率冷白光 LED 為光源，設(shè)計(jì)高安全性的自行車前置燈。我們以歐洲的法規(guī) StVZO 和 ECE 法規(guī)設(shè)計(jì)考量，設(shè)計(jì)步驟基本如下：首

2、先建立光源之光學(xué)模型并驗(yàn)證之；其次建立反光杯及其他光學(xué)模型用于設(shè)計(jì)前置等的光型目標(biāo)是符合 10m 的歐規(guī)。本文利用成熟的光學(xué)軟件 tracepro 進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到自行車的緣故，我們盡量設(shè)計(jì)出尺寸微小的自行車前置燈。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：自行車前置燈，led，光學(xué)設(shè)計(jì)，tracepro，solidworks 注：本論文題目來(lái)源于教師的企業(yè)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)為：AbstractIn recent years, due to the high speed development of new type of LED, the LED can be in more areas of the advantage

3、s of fully development. This paper for high power white LED cold light source, high security bicycle front lamp design. StVZO and ECE with our European regulations for the design, basic design steps are as follows: the first light source of the optical model and validation; Second reflective cup and

4、 other optical model type used in the design front light target is accord with 10 m of the rules. In this paper, using the optical software tracepro design, considering the bikes sake, we try to design a tiny size of bicycle front lamp.Keywords: Bicycle front lamp, led，optical design, tracepro , sol

5、idworks目目 錄錄1 緒論緒論.11.1 題目背景.11.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況.31.3 題目研究方法.51.4 論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容.82 設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)過(guò)程.92.1 設(shè)計(jì)要求.92.2 光源模型建立.112.2 設(shè)計(jì)基本思路.142.3 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).152.4 結(jié)構(gòu)微型化和結(jié)構(gòu)整合.183 結(jié)果與討論結(jié)果與討論.223.1 3D 模型整合與光強(qiáng)分析.22結(jié)論結(jié)論.24參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).26致致 謝謝.2701 1 緒論緒論十九世紀(jì)以來(lái)，隨著固態(tài)物理的發(fā)展，人類利用半導(dǎo)體材料製造出了新的光源。1993 年日亞化學(xué)公司率先在藍(lán)色 GaN LED 技 術(shù)上突破1并很快產(chǎn)業(yè)化，進(jìn)而于 1996

6、年實(shí)現(xiàn)白光 LED，1998 年推上市場(chǎng)引起了業(yè)內(nèi)外人士極大的關(guān)注。白光 LED 有許多優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在新材料、新工藝上獨(dú)樹一幟，其最大的吸引力和期望是作為第四代照明光源有龐大的照明市場(chǎng)和顯著節(jié)能前景。早期的 LED，由于單顆的光輸出功率極低，應(yīng)用多侷限于信號(hào)指示。而現(xiàn)今，由于高功率 LED 的開發(fā)，光源所能提供的光通量大為提升，才使得 LED 廣泛地應(yīng)用在顯示與照明上。在照明與顯示之用途上，白光光源佔(zhàn)有其重要地位。而利用 LED 來(lái)產(chǎn)生白光的方式有相當(dāng)多種，常見的三種方式為藍(lán)光晶片上覆蓋黃色（Y）螢光粉、紫外光（UV）晶片上覆蓋紅（R） 、綠（G） 、藍(lán)（B）三種螢光粉以及紅、綠、藍(lán)三種晶片混光而

7、成。近年來(lái)，高功率白光 LED 的效率已遠(yuǎn)超出預(yù)測(cè)的速度成長(zhǎng)，為了因應(yīng)環(huán)境保護(hù)與能源危機(jī)之課題，許多國(guó)家已規(guī)定于 2012 年起，不得再使用白熾燈泡。同時(shí)，高功率 LED 在自行車燈的運(yùn)用上也有很顯著的優(yōu)勢(shì)。因此現(xiàn)在很多國(guó)家規(guī)定必須得在自行車上安裝前置燈才能上路，并且許多國(guó)家規(guī)定了關(guān)于自行車燈的法規(guī)。1.11.1 題目背景題目背景照明的好壞，對(duì)于視力健康以及個(gè)人的心情影響甚大，現(xiàn)實(shí)的經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證了工作環(huán)境的照明好壞和工作間有著相當(dāng)大的關(guān)系，好的照明系統(tǒng)可以有效地提高產(chǎn)量和質(zhì)量。良好的照明以為這在合適的位置要有充足的照明，以騎自行車是的照明來(lái)說(shuō)，必須達(dá)到提供騎行者清楚的路況照明，又不至于影響對(duì)向來(lái)車

8、的騎行者的視線的要求，讓騎行者能夠做出準(zhǔn)確的判斷。雖然現(xiàn)在大多數(shù)的路段都又路燈設(shè)置，但是對(duì)于一些山地自行車愛好者來(lái)說(shuō)，路燈所提供的亮度顯然是不符需求的，又因?yàn)檐嚲嗯c路況的關(guān)系，也常造成照明的死角，因此無(wú)法提供騎車的安全照明， 。此外，在完全沒有夜間照明的路段，自行車所使用的照明設(shè)備，相比之下更為之重要。近年來(lái)在自行車使用的照明設(shè)備上，已經(jīng)有相當(dāng)大的突破，不僅提供騎行者的一個(gè)安全的行車環(huán)境，也保障了行路人和其他人的人身安全。除此之外，更訂定了相關(guān)法規(guī)，對(duì)于自行車燈的光型與亮度有了明確的規(guī)范，自行車前置燈的最主要功能固然是使騎行者能看清楚前方的路況，并即時(shí)反應(yīng)，1如此一來(lái)，前置燈照明必須具備投射距

9、離以及亮度足夠的兩項(xiàng)前提。要滿足這兩者，當(dāng)然需要更大功率的照明設(shè)備。使用傳統(tǒng)的燈泡，其耗電量以及發(fā)光效率是個(gè)大問(wèn)題。然而新型的 LED 燈運(yùn)用在自行車燈照明設(shè)備中，正朝省電、高發(fā)光效率、長(zhǎng)壽命等方向改進(jìn)。現(xiàn)今的高功率白光 LED 產(chǎn)品，單顆光源所能提供之光通量已足夠做為自行車前燈之光源。另外，LED 亦具有許多適合應(yīng)用于自行車前燈等戶外照明之優(yōu)勢(shì)，以下我們便就其優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)分析與說(shuō)明。1.發(fā)光效率高 于戶外使用之燈具，因?yàn)殡娫慈〉貌灰?，尤其自行車并無(wú)供電設(shè)備，需以電池為電源，故若能有效地將能量轉(zhuǎn)換成光能，即可減少電池的使用量，以減輕攜帶上的負(fù)擔(dān)。LED 之發(fā)光效率高，使用時(shí)以較低的電功率即可達(dá)

10、到照明之要求，相對(duì)來(lái)說(shuō)，便能增加電池之續(xù)航力，而不需要攜帶大量的電池。2.生命週期長(zhǎng) 在戶外使用照明設(shè)備時(shí)，若光源因使用壽命衰退或損壞，此時(shí)更換用之光源并不易及時(shí)取得，然而于某些戶外環(huán)境下，失去照明可能會(huì)對(duì)安全造成影響。品質(zhì)良好的LED 壽命應(yīng)可高于兩萬(wàn)小時(shí)，部分生產(chǎn)商更聲稱其產(chǎn)品可達(dá)到五萬(wàn)小時(shí)的生命週期。所以戶外照明若以 LED 為光源，將可大幅降低因光源之使用壽命終止的機(jī)率出現(xiàn)，戶外安全便可獲得更高的保障。3.光源穩(wěn)定 使用于戶外的燈具，需要有能承受嚴(yán)苛的氣候變化與外力不當(dāng)衝擊之能力。LED之操作溫度可低-40oC，在寒冷的寒帶地區(qū)仍能維持發(fā)光效率，經(jīng)過(guò)良好封裝的 LED光源也可受高濕度的

11、環(huán)境。現(xiàn)今 LED 多以環(huán)氧樹脂或硅膠包覆，可承受較劇烈的震動(dòng)與碰撞，在戶外使用上，遠(yuǎn)優(yōu)于其他玻璃外殼的燈源。4.低操作電壓 LED 晶片的操作電壓一般大約在三至四伏特，戶外燈具多以電池為電源，然而電池之電壓較低，以 LED 為光源可簡(jiǎn)化電路，且較易設(shè)計(jì)為可攜帶式的光源，如自行車前燈等。5.尺寸微小 相較于其他體積較大的光源，封裝完成之 LED 光源，尺寸仍相當(dāng)微小，光學(xué)機(jī)構(gòu)的尺寸便可大幅縮小。如此，一方面可降低燈具成本，另一方面也可增加燈具的可攜2帶性。6.不易磨損由于傳統(tǒng)式的前燈光源之外罩都是用玻璃制品，不能受到劇烈的搖晃和撞擊；LED 是采用環(huán)氧樹脂的方式方式，無(wú)易碎的材料結(jié)構(gòu)，可以禁得

12、住震動(dòng)、擠壓、可信賴度高。7.指向性高鎢絲燈泡或者是鹵素?zé)襞轃魝鹘y(tǒng)光源，光線是由四面八方輻射出去的。為了將光線照在需要的物體上，必須使用二次光學(xué)來(lái)引導(dǎo)光線到正確的方向上，這造成一定能量上的損失。LED 的指向性高，可以降低因?yàn)槎喂鈱W(xué)所造成的損失，同時(shí)減少光害。另外，LED 燈還有很多優(yōu)點(diǎn)，并不僅僅局限于戶外照明，如不含有汞的環(huán)保特性，和非玻璃材質(zhì)的安全性等。但是在我前面提到的高功率白光 LED 中，大多數(shù)以藍(lán)色晶片加上黃色熒光粉的形式為主，由于激發(fā)光源為藍(lán)色晶片，姑琪頻譜強(qiáng)度大多落在短波長(zhǎng)，屬于冷色系白光。高功率白光 LED 色溫大約界為 4500K8000K 之間，屬于高色溫偏藍(lán)光；而鹵素

13、燈泡頻譜大多落在長(zhǎng)波長(zhǎng)，其色溫約在 3000K3200K，屬于低色溫偏橙色；然而太多的藍(lán)光對(duì)于眼睛來(lái)說(shuō)并不是一件好事情。由于短波長(zhǎng)的光線對(duì)眼睛會(huì)產(chǎn)生眩光的影響，在夜間行駛時(shí)駕駛有可能因?yàn)楸粚?duì)向來(lái)的車的光線影響，產(chǎn)生不適的感覺。倘然將來(lái) LED 真的成為自行車前置等的光源，所產(chǎn)生的影響絕對(duì)值得我們注意與觀察。1.21.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況國(guó)內(nèi)外研究狀況實(shí)際上早在 1907 年，人類就發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體材料通電可以發(fā)光現(xiàn)象，不過(guò)真正商用的 LED 是在上世紀(jì) 60 年代，當(dāng)時(shí) LED 由半導(dǎo)體材料 GaAsP 制成，發(fā)紅光。在整個(gè)上世紀(jì) 60、70 年代，LED 的發(fā)光效率非常低，而且不能激發(fā)非常重要的原

14、色藍(lán)色。在此階段，LED 主要應(yīng)用于各種昂貴的設(shè)備，作為信號(hào)指示燈。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代，隨著氮化物 LED 的發(fā)明，LED 的發(fā)光效率有了質(zhì)的飛躍，而組成白光的重要原色也在 1993 年由日本著名的 LED 企業(yè)日亞化學(xué)的中村修二發(fā)明。這樣整個(gè)可見光領(lǐng)域的單色 LED 已經(jīng)完整，能夠滿足各種單色發(fā)光應(yīng)用場(chǎng)所。影響 LED 產(chǎn)業(yè)最重大的變化，是大功率的白光 LED 的發(fā)明。自 1997 年白光 LED3發(fā)明后，專家對(duì)白光 LED 進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的可能進(jìn)行了研究。大功率 LED 是指 1W以上的 LED 產(chǎn)品，屬于新一代的半導(dǎo)體照明技術(shù)，具有高亮度、功耗低、以控制等特點(diǎn)，他是代替現(xiàn)有照

15、明設(shè)備的產(chǎn)品。開發(fā)大功率白光 LED 產(chǎn)品除了需要高亮度的芯片外，還需要在大功率 LED 器件封裝上實(shí)現(xiàn)突破，解決一系列技術(shù)上的難題，目前國(guó)外已經(jīng)研制出 5WLED 器件樣管，1WLED 已經(jīng)實(shí)現(xiàn)小批量的生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)也試研制 1WLED 器件，但還不具備批量生產(chǎn)的能力。正是在這種背景下，美國(guó)、日本、歐洲及韓國(guó)都制定了相應(yīng)的國(guó)家半導(dǎo)體照明計(jì)劃。例如日本仔 1998 年的世界領(lǐng)先開展“31 世紀(jì)照明”計(jì)劃，旨在通過(guò)使用長(zhǎng)壽命、更薄更輕的 GaN 高效率藍(lán)光和紫外 LED技術(shù)使得照明的能量效率提高為傳統(tǒng)的熒光燈的兩倍，同時(shí)減少 CO2 的超聲，并在2006 年完成 LED 替代 50 的傳統(tǒng)照

16、明。整個(gè)計(jì)劃的財(cái)政預(yù)算為 60 億日元。從 1998-2002，耗資 50 億日元的第一期目標(biāo)，目前計(jì)劃已經(jīng)完成。接著，日本實(shí)施第二期計(jì)劃，計(jì)劃在 201.年 LED 發(fā)光效率達(dá)到 120lm/W。表表 1-1 市售高功率白光市售高功率白光 LED 于于 350mA 驅(qū)動(dòng)下的發(fā)光效率驅(qū)動(dòng)下的發(fā)光效率生產(chǎn)商Philips LumiledsOSRAMCree型號(hào)LUXEON RrbelGolden DRAGON PlusXLamp XR-E效率（lm/W）100105107相關(guān)色溫 CCT（K）4500-1000065005000-10000此外，我們亦可由表 1-1 看到高功率白光 LED 在

17、1 W 電功率的操作下，效率已可超越大部分普通光源，而由于效率的提高，LED 于照明或顯示用光源之應(yīng)用上快速增加。再者，為了因應(yīng)環(huán)境保護(hù)與能源危機(jī)之課題，許多國(guó)家已規(guī)定于 2012 年起，不得再使用白熾燈泡。因此，從 LED 的發(fā)展趨勢(shì)以及 LED 本身具有之眾多優(yōu)點(diǎn)可知，其將會(huì)是未來(lái)的取代光源中之重要選擇。作為目前全球最受矚目的新一代光源，LED 因其高亮度、低熱量、長(zhǎng)壽命、無(wú)毒、可回收再利用等優(yōu)點(diǎn)，被稱為是 21 世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色照明光源。我國(guó)的 LED產(chǎn)業(yè)起步于 20 世紀(jì) 70 年代，經(jīng)過(guò)近 40 年的發(fā)展，現(xiàn)已形成上海、大連、南昌、廈門、深圳、揚(yáng)州和石家莊 7 個(gè)國(guó)家半導(dǎo)體照明

18、工程產(chǎn)業(yè)化基地，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于景觀照明和普通照明領(lǐng)域，我國(guó)已成為世界第一大照明電器生產(chǎn)國(guó)和第二大照明電器出口國(guó)。然而，LED 產(chǎn)業(yè)研究機(jī)構(gòu)-集邦 LED 中國(guó)在線的一份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至 2009年底，我國(guó)共有 LED 企業(yè) 3000 余家，其中，年產(chǎn)值上億的只有 140 家。然而，在這4140 家企業(yè)中，沒有一家企業(yè)的產(chǎn)品年銷售額超過(guò) 10 億元，超過(guò) 5 億元的也只有少數(shù)幾家，大部分在 1 億元至 2 億元之間?？梢姡m然我國(guó) LED 企業(yè)數(shù)量較多，但規(guī)模普遍偏小。記者在國(guó)內(nèi)隨機(jī)選擇了一家 LED 企業(yè)進(jìn)行采訪。廣東東莞勤上光電股份有限公司（下稱勤上光電）創(chuàng)建于 1993 年，是國(guó)內(nèi)較早從

19、事 LED 產(chǎn)品生產(chǎn)的企業(yè)，并與清華大學(xué)共同組建了 LED 照明技術(shù)研究院，國(guó)內(nèi)許多項(xiàng)目如國(guó)家大劇院照明、北京綠色奧運(yùn)道路照明、上海 F1 賽車場(chǎng)照明、清華大學(xué)奧運(yùn)場(chǎng)館照明等都出自該企業(yè)。然而，就是這樣一家國(guó)內(nèi) LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“探路者”，在遭遇日本、美國(guó)、德國(guó)的專利“圍堵”時(shí)，也不得不繞道以避之?！扒谏瞎怆姷难邪l(fā)主要集中在下游的應(yīng)用領(lǐng)域，在上、中游的研發(fā)投入相對(duì)較少。這主要是因?yàn)?，?guó)外大公司和我國(guó)臺(tái)灣的一些企業(yè)已經(jīng)壟斷了大部分 LED 核心技術(shù)，國(guó)內(nèi)企業(yè)只能把目光轉(zhuǎn)向技術(shù)含量較低的下游應(yīng)用市場(chǎng)。 ”勤上光電知識(shí)產(chǎn)權(quán)專員萬(wàn)偉在中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào)記者采訪時(shí)，對(duì)國(guó)內(nèi) LED 企業(yè)的現(xiàn)狀直言不諱。據(jù)記

20、者了解，目前全球已初步形成以亞洲、北美、歐洲三大區(qū)域?yàn)橹行牡漠a(chǎn)業(yè)格局，以日本的日亞化工、豐田合成，美國(guó)的克里、通用電器和德國(guó)的歐司朗為專利核心的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)格局。美、日企業(yè)在外延片、芯片技術(shù)、設(shè)備方面具有壟斷優(yōu)勢(shì)，歐洲企業(yè)在應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)突出，而我國(guó)的 LED 還處于較低端的水平，80%左右的產(chǎn)品集中在景觀照明、交通信號(hào)燈等應(yīng)用市場(chǎng)，在汽車照明、大屏幕等高端產(chǎn)品方面涉及的比較少。1.31.3 題目研究方法題目研究方法在常見的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，無(wú)論是非成像光學(xué)或是成像光學(xué)，幾何光學(xué)是最基本也是最常用的設(shè)計(jì)理論。我們只覺得將光想成一條一條光線，并且粗略的定義光線的路徑與能量傳遞，光線與界面之間穿透或是

21、反射的相互關(guān)系。當(dāng)光反射于一個(gè)光滑平面時(shí)，它必須遵守反射定論；當(dāng)光穿透界面時(shí)，就是從一個(gè)介質(zhì)進(jìn)入另一個(gè)介質(zhì)，光的行進(jìn)方向的改變會(huì)遵守折射定律。在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析中有一個(gè)很重要的部分，探究光線從進(jìn)入系統(tǒng)之后，隨著光的軌跡分析光線于系統(tǒng)之間折射與反射的相互廣西，就是一般提到的光線追跡。在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，Etendue 也是一個(gè)不可不考慮的光學(xué)量，要如何有效地利用光5的能量與發(fā)散的角度，各個(gè)元件之間的相互關(guān)系，Etendue 可以說(shuō)是占了相當(dāng)大的份量。除此之外，光學(xué)系統(tǒng)輸出的光型能量的分析與管理與照明光學(xué)有密不可分的關(guān)系。燈罩的初始設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)精確的估算后，可得到初步的大致結(jié)果，并找出設(shè)計(jì)的正確方向

22、，對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，有事半功倍的效果。下面我們將在下面的章節(jié)更加詳盡的介紹。首先解釋一下光的折射定律與反射定律，當(dāng)光線入射到界面時(shí)，一部分光從界面上反射，形成反射線。入射線與入射點(diǎn)處界面的法線所構(gòu)成的平面稱為入射面。法線和入射線及反射線所構(gòu)成的角度和分別稱為入射角和反射角。入射光線除了部分11被反射外，其余部分將進(jìn)入第二種介質(zhì)，形成折射線。折射線與界面法線的夾角 2 稱為折射角。反射定律指出，反射線的方向遵從： 反射線和入射線位于同一平面(即入射面)內(nèi)，并分別處在法線的兩側(cè) 反射角等于入射角，即 （式 1.1）11折射定律(refractive index)指出，折射線的方向滿足： 折射線位于

23、入射面內(nèi)，并和入射線分別處在法線的兩側(cè)； 對(duì)單色光而言，入射角 1 的正弦和折射角 2 的正弦之比是一個(gè)常數(shù)，即 （式 1.2）21211221sinsinnvvnn6式中，比例常數(shù)稱為第二介質(zhì)相對(duì)于第介質(zhì)的相對(duì)折射率。它與光波的波21n長(zhǎng)及界面兩側(cè)介質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，而與入射角無(wú)關(guān)。就如剛剛所介紹的，除了幾何光學(xué)重要外，光的特性也是非常重要的。所以我們下面介紹下幾個(gè)基本的光學(xué)量。首先我們要先知道什么時(shí)光度學(xué)。照明光學(xué)的設(shè)計(jì)中，人眼實(shí)際看到的照明效果才是最重要的，光度學(xué)即是對(duì)于人眼視覺效應(yīng)的研究理論。光度學(xué)與輻射學(xué)(Radiometry)的差異，在于光度學(xué)考量了人眼對(duì)于不同波長(zhǎng)的光有不同的響應(yīng)，而

24、輻射學(xué)僅計(jì)算光的實(shí)際能量。人眼對(duì)于光頻譜之響應(yīng)函數(shù)稱為視效函數(shù)（Spectral luminous efficiency function） ，光度學(xué)的計(jì)算便是評(píng)量光在人眼視覺上的強(qiáng)弱，所以照明光學(xué)的設(shè)計(jì)皆以光度學(xué)單位為標(biāo)準(zhǔn)。光通量在光度學(xué)中，光通量明確的被定義為能夠被人的視覺系統(tǒng)所感受到的那部分光輻射功率的大小的度量。輻射通量以光譜光視函數(shù)（即視見函數(shù)，見可見光）為權(quán)重因子的對(duì)應(yīng)量。）（V設(shè)波長(zhǎng)為 的光的輻射通量為。對(duì)應(yīng)的光通量為）（e）（e)()(emVK式中為比例系數(shù)，是波長(zhǎng)為 5550 埃的光譜光視效能，也叫最大光譜光視效能，mK由和的單位決定。光通量的 SI 單位為流明，=683 流

25、明/瓦。復(fù)色光的光通量需evmK對(duì)所有波長(zhǎng)的光通量求和。發(fā)光強(qiáng)度點(diǎn)光源在某方向上單位立體角內(nèi)的光通量，記作，即。發(fā)光強(qiáng)度的 SIvIddIvv單位為坎德拉，是光度學(xué)中的基本單位，1979 年第十六屆國(guó)際大會(huì)通過(guò)的坎德拉的定義為：坎德拉是發(fā)出頻率為 5401012 赫茲的單色輻射源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，該方向上的輻射強(qiáng)度為 1/683 瓦/球面度。光亮度它表示單位面積上發(fā)光強(qiáng)度。輻射亮度的光度學(xué)對(duì)應(yīng)量，其定義為：cos)(ldsdivv式中為面光源上的面積元， 為面元法線與觀察方向間的夾角，是面元在觀dsdiv察方向的發(fā)光強(qiáng)度。光亮度的 SI 單位為坎德拉/米 2。光亮度的其他常用單位有熙提和

26、7朗伯，1 熙提=104 坎德拉/米 2，1 朗伯=104/ 坎德拉/米 2。光亮度一般隨觀察方向而變，若一輻射體的光亮度是與方向無(wú)關(guān)的常量，則其發(fā)光強(qiáng)度與成正比，此規(guī)律cos稱為朗伯定律，這種輻射體稱為朗伯輻射體或余弦輻射體。黑體是理想的余弦輻射體。光照度英文名稱：illuminance 單位受照面積上接收到的光通量，單位為 ，稱勒克斯()。發(fā)光強(qiáng)度為 12mlmlx的點(diǎn)光源在離光源的距離為 r 處的照度為:式中 i 為光沿 r 方向射到受lmcosir2vv）（IE 照面時(shí)的入射角（與表面法線夾角） 。入射光垂直入射時(shí)， ，此即0cosi 2vrIEV光照度的平方反比律。光出射度光出射度是

27、表征光源自身性質(zhì)的一個(gè)物理量。光源的光通量除以光源的面積就得到光源的光出射度值。光出射度用 lm/表示，但與照度測(cè)試和 lux 不同，光出射度中的面積是指光源的面積，而不是被照射的面積。平板發(fā)射會(huì)測(cè)試該值。 1.41.4 論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容論文構(gòu)成：中文摘要、英文摘要、緒論、光學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)果討論與分析、參考文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容：基于高功率白光 LED 的自行車前置燈光學(xué)設(shè)計(jì)82 2 設(shè)計(jì)過(guò)程設(shè)計(jì)過(guò)程2.12.1 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)要求近年來(lái)，能源危機(jī)的問(wèn)題與運(yùn)動(dòng)休閒風(fēng)氣盛行，導(dǎo)致騎乘自行車的人口急速上升，因此攸關(guān)行車安全性的自行車照明系統(tǒng)變得更加重要。長(zhǎng)期以來(lái)，歐洲一直是自行車交通發(fā)達(dá)的地區(qū)

28、，對(duì)于自行車的行車安全較為重視，車輛的安全燈光與警示配件等皆有完善的法規(guī)范，且車燈的光形需在正確的設(shè)計(jì)下，才能有足夠的照明且不會(huì)對(duì)交通安全造成威脅。因此，在本論文中，我們便以歐洲的法規(guī)為依據(jù)，針對(duì)高功率的白光LED，設(shè)計(jì)高安全性的自行車前燈。 在本章中，首先介紹一種歐洲常用的自行車前燈法規(guī)，德國(guó) StVZO 法規(guī)（Economic Commission for Europe） ，并且採(cǎi)用不論在中心照度、截止區(qū)域、光形水平延展面與遠(yuǎn)處地面的照射等量測(cè)，皆有嚴(yán)格規(guī)定的德國(guó)StVZO 規(guī)范，來(lái)進(jìn)行微型化自行車前燈之設(shè)計(jì)與分析。在 K-mark 的 StVZO 22A No. 23 規(guī)范中，定義檢測(cè)面

29、為距離燈具 10 公尺處之垂直面，如圖 2-1 所示。而圖 2-2 為規(guī)范檢測(cè)面上各量測(cè)點(diǎn)位置之示意圖。歐洲自行車前燈法規(guī)介紹德國(guó) StVZO 法規(guī)，其標(biāo)志為英文大寫字母 K，故又稱為 K-mark。在此法規(guī)中，對(duì)自行車前燈的光形所制定之規(guī)范為 StVZO 22A No.23。圖 2-1 前置燈模擬圖9圖 2-2 為 K-mark 效果圖光源距量測(cè)點(diǎn)為 10M 距離，中心亮點(diǎn)稱為 HV，最亮點(diǎn)稱為 Emax HV 10Lux，Emax HV/2，HV 往下 5 1.5 lx ，HV 往下 5 后, 再往左往右 4 lx 以上是德國(guó)法規(guī)對(duì)光型的要求。在這邊要做一說(shuō)明就是點(diǎn) A 2 Lux 就是要

30、做到明暗截止線，防止車燈影響到對(duì)向車友的視線。Emax 的規(guī)定就是防止單一點(diǎn)的光束過(guò)于集中。其他各點(diǎn)的規(guī)范，是為了讓光束可以均勻分布。所以德規(guī)車燈最難設(shè)計(jì)的部分有兩個(gè)，明暗截止線與光束均勻分布。在 E-mark 的 Regulation No. 113 規(guī)范中，定義檢測(cè)面為距離燈具 25 公尺處之垂直平面，并且規(guī)定其車燈光形，在視覺上需有一明顯的水平截止線。圖 2-3，為規(guī)范檢測(cè)面上各量測(cè)點(diǎn)位置之示意圖。10圖 2-3 為 E-mark 效果圖同樣地，為了符合 E-mark 的 Regulation No. 113 規(guī)范，于開始量測(cè)之前，須先將光形進(jìn)行水平調(diào)整，也就是使光形水平對(duì)稱于 V-V

31、線。然后，再進(jìn)行垂直調(diào)整，垂直調(diào)整的方式與 K-mark 不同，此時(shí)需將光形的水平截止線位置對(duì)準(zhǔn)在低于 H-H 線 25 公分之 cut-off 線處。 接下來(lái)，我們將 E-mark 的 Regulation No. 113 規(guī)范所制定的需求，利用圖 2-3進(jìn)行以下的說(shuō)明。 1. 截止區(qū)，為 H-H 線以上的區(qū)域。此區(qū)之照度不得超過(guò) 0.32 lx。 2. 主亮區(qū)，為低于 H-H 線 75 公分，并于 V-V 線左右各延伸 225 公分的區(qū)域，即從25L 點(diǎn)至 25R 點(diǎn)之間的區(qū)域。此區(qū)之照度需高于 1.28 lx。 3. 路面照射，為低于 H-H 線 150 公分，并于 V-V 線左右各延伸

32、 225 公分的區(qū)域，即從 12.5L 點(diǎn)至 25R 點(diǎn)之間的區(qū)域。此區(qū)之照度需高于 0.64 lx。 將 E-mark 之法規(guī)與 K-mark 做比較，可看出 E-mark 之規(guī)范較 K-mark 簡(jiǎn)易許多，而且光形的垂直高度亦較為狹窄。因此在我們的設(shè)計(jì)中，將先以較為嚴(yán)苛的 K-mark 規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，再分析如何同時(shí)達(dá)到 E-mark 法規(guī)之要求。2.22.2 光源模型建立光源模型建立在開始燈具設(shè)計(jì)之前，我們必須先針對(duì)燈具之光源進(jìn)行建模與分析，本論文所提及的光源皆采用 CREE 公司所制作的 XLamp XR-E（Cool White，P4）高功率白光11LED 燈源。Cree XLamp L

33、ED 具有行業(yè)最佳的照明級(jí)性能，并且針對(duì)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，可將系統(tǒng)成本降至最低。XLamp LED 便于選擇、使用簡(jiǎn)單，旨在實(shí)現(xiàn)絢麗、持久和節(jié)能的照明。憑借著照明級(jí)輝度、能效、使用壽命與燈光品質(zhì)等多方面尖端技術(shù)，XLamp XR-E LED 掀起 LED 照明行業(yè)新變革。XLamp XR-E LED 擁有眾多照明級(jí)性能，能效更高，使用壽命更長(zhǎng)，費(fèi)用更為低廉，可謂各種傳統(tǒng)照明源的理想替代品。圖 2-1 XLamp XR-E LED 的特性12圖 2-2 XLamp XR-E LED 的尺寸大小我根據(jù) cree 官網(wǎng)所給出的數(shù)據(jù)，在 solidworks 軟件里對(duì)光源就行三 D 建模，然后再導(dǎo)入 t

34、racepro 中就行光學(xué)定義，其中最為重要的確定發(fā)光面。圖 2-3 定義表面光源13而下圖 2-4 為 3D 效果圖圖 2-4 光源模型最后我們得到光源就是我們所需要的光源 Cree XLamp LED，我們跟檔案光源進(jìn)行光強(qiáng)圖的對(duì)比，會(huì)有一點(diǎn)誤差，在這里我們可以忽略。2.2 設(shè)計(jì)基本思路設(shè)計(jì)基本思路我們可以看到 K-mark 的 StVZO 22A No.23 規(guī)范，我們大概可以把它分為兩個(gè)部分，如圖 2-4.第一部分為主要亮區(qū)，光型設(shè)計(jì)為水平延伸，但在 V-V 方向也要有良好的對(duì)比度。而第二部分，則為較寬的次要亮區(qū)。在 K-mark 規(guī)范中，雖然規(guī)定只有規(guī)定 V-V 線左右個(gè) 4的區(qū)域，

35、但在是指生活中需要更為寬廣的亮區(qū)來(lái)提高主亮區(qū)，并且為了更為清晰的了解到周遭的環(huán)境，離車大概 5 米的距離的路況也是需要得到充分照明的。所以，在設(shè)計(jì)盡量在滿足 K-mark 的前提時(shí)，多考量近距離的路況。14圖 2-5 K-mark 效果圖分析2.32.3 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在 K-mark 規(guī)范中，主要亮區(qū)的光型需要在垂直方向上有很好的對(duì)比度，而且在水平方向也有足夠的延伸，所以我們會(huì)想到用拋物線的反射板作為反光杯結(jié)構(gòu)，如圖 2-6為 tracepro3D 模型15圖 2-6 反光杯光路圖同樣我們可以看見反光杯所產(chǎn)生的光型圖，如圖 2-7圖 2-7 光照?qǐng)D如圖所示，圖形是一個(gè)光型匯集的一個(gè)

36、亮點(diǎn)，再者我們可以分析其光線的大概走向，會(huì)發(fā)現(xiàn)其光線經(jīng)過(guò)反光杯的反射后會(huì)大致以平行光出射。這也是我們?yōu)槭裁催x擇拋物線線形的反光杯。但是這還跟我們所需要的光型有很大的差異，根據(jù)主要亮區(qū)的光型，其實(shí)我們只要把反光杯的形狀改變成一個(gè)反光板，光型就會(huì)變得水平延伸。接16著按著這種思路我們進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)光型會(huì)得到很好的改善，如圖 2-8所示圖 2-8 反光杯修改后的光照?qǐng)D這樣的光型顯然是比剛剛的好很多，而且截止區(qū)也很明顯，但對(duì)于 K-mark 規(guī)范來(lái)講，還是太發(fā)射了，需要進(jìn)行更加嚴(yán)密的調(diào)整。同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)問(wèn)題，就是次要亮區(qū)太分散了。如果要符合 K-mark 規(guī)范，除了需要讓能量集中

37、以提高垂直中線的照度之外，光型的擴(kuò)散區(qū)域也要夠廣。結(jié)合要求，我們會(huì)想到用凸透鏡使得光線聚集來(lái)提高次要亮區(qū)的光照。我們?yōu)榱诉_(dá)到上述的光型需求，設(shè)計(jì)了一個(gè)透鏡。此透鏡的曲率經(jīng)過(guò)特殊的設(shè)計(jì)，然后我們將透鏡的上半部分切去，方便以后的反光板的安放也為了避免截止區(qū)的對(duì)比度受到影響。圖 2-9 為 10 米處垂直面的模擬光型17圖 2-9 透鏡光照?qǐng)D由圖 2-9 可以看出經(jīng)過(guò)曲率半徑的設(shè)計(jì)的透鏡的半截透鏡確實(shí)在中心有較良好的聚光效果，如此可以達(dá)到垂直中線較高的要求，同時(shí)也有較高的能量向下延伸，并且還不會(huì)達(dá)到截止區(qū)。基本上滿足了 K-mark 的次要亮區(qū)的要求了。2.42.4 結(jié)構(gòu)微型化和結(jié)構(gòu)整合結(jié)構(gòu)微型化和

38、結(jié)構(gòu)整合之前我們經(jīng)過(guò)光型分析和基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，現(xiàn)在我們利用光學(xué)上的特性對(duì)反射片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而使結(jié)構(gòu)尺寸能夠縮減，達(dá)到微型化的目的。結(jié)合我們之前所說(shuō)的設(shè)想，要把自行車前 5 米處也得到充份的照明，我們重新設(shè)計(jì)了一下發(fā)光板。如圖 2-10 所示。18圖 2-10 修改后的反光板光路圖而為了提高 LED 光的利用率，我們?cè)?LED 前方放置一個(gè)平面的反光板。我們這里成為反光板 P，他的作用主要是講打在平面上的光反射到 A 區(qū)上，再利用 A 區(qū)的曲率吧能量打在主要亮區(qū)，這樣做不單單可以提升主要亮區(qū)的照度，而且還有了延伸效果。反光板 P 的還有一個(gè)作用就是為了減少 LED 發(fā)出的光線直接打到截止

39、區(qū)去，因此這樣可以增加垂直對(duì)比度，并避免了騎行車時(shí)，造成對(duì)向行人或車輛直接看到 LED 光源所產(chǎn)生的眩光。在 tracepro 光線追擊時(shí)，我們可以比較清楚的看見光線反射的走向，這樣對(duì)我們修改反光板的曲率半徑跟反光板的位置也是很有幫助的。同樣我們可以在圖 2-10 看在 C 區(qū)的作用是一個(gè)輔助作用，提高主要亮區(qū)的照度，形成跟飽和的光型。而 B 區(qū)和 D 區(qū)的作用就是為了把光打到近距離的地面。這是我們剛開始設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到自行車的實(shí)際情況所另外加上去的。最后我們來(lái)看一下光照?qǐng)D，會(huì)發(fā)現(xiàn)比之前的單單拋物線拉伸出的光型好很多，這主要是反光板 P 更充分的利用了光源，整體的光學(xué)效率也得到了提升。圖 2-1

40、1 為修改后的反光板光強(qiáng)圖。19圖 2-11 反光杯修改后的光照?qǐng)D這樣主要亮區(qū)的光型與光照強(qiáng)度大概就可以滿足了?，F(xiàn)在再回到次要亮區(qū)來(lái)，我們可以發(fā)現(xiàn)光型是沒問(wèn)題的，光強(qiáng)也滿足規(guī)范。但是其厚度太大了，如果在生產(chǎn)制作上就會(huì)產(chǎn)生極大的負(fù)擔(dān)，所以我們嘗試把透鏡薄型化。同時(shí)不影響光線的行徑方向。這時(shí)我們會(huì)聯(lián)想到之前學(xué)習(xí)過(guò)得組合透鏡，也就是大家經(jīng)常說(shuō)說(shuō)到的菲涅爾透鏡，因?yàn)榉颇鶢柾哥R在照明設(shè)計(jì)時(shí)薄型化之透鏡并不會(huì)造成光型嚴(yán)重的改變。這里我順便講一下菲涅爾透鏡的原理：菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)是一種微細(xì)結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，從正面看其象一個(gè)飛鏢盤，由一環(huán)一環(huán)的同心圓組成。其工作原理十分簡(jiǎn)單：假設(shè)一個(gè)透鏡的

41、折射能量?jī)H僅發(fā)生在光學(xué)表面（如：透鏡表面） ，拿掉盡可能多的光學(xué)材料，而保留表面的彎曲度。另外一種理解就是，透鏡連續(xù)表面部分“坍陷”到20一個(gè)平面上。從剖面看，其表面由一系列鋸齒型凹槽組成，中心部分是橢圓型弧線。每個(gè)凹槽都與相鄰凹槽之間角度不同，但都將光線集中一處，形成中心焦點(diǎn)，也就是透鏡的焦點(diǎn)。每個(gè)凹槽都可以看做一個(gè)獨(dú)立的小透鏡，把光線調(diào)整成平行光或聚光。這種透鏡還能夠消除部分球形像差。根據(jù)上述的設(shè)想，我們把之前的透鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)為菲涅爾透鏡，會(huì)發(fā)現(xiàn)透鏡的厚度大大的縮減了，而且光型仍然保持良好的聚光效果和延伸性。圖 2-12 為修改后的透鏡模擬 3D 圖圖 2-12 修改后的透鏡模擬圖最后我們把

42、模型就行整合，然后進(jìn)行光型與光強(qiáng)的分析。213 3 結(jié)果與討論結(jié)果與討論3.13.1 3D3D 模型整合與模型整合與光強(qiáng)分析光強(qiáng)分析上一章我們講到把反光板與透鏡和光源進(jìn)行整合，我綜合光線和光型，光強(qiáng)分析了一下，對(duì)其進(jìn)行了微調(diào)，也把反光板水平延長(zhǎng)了，這樣可以更加充分的利用光效率。圖 3-1 為整合后的 3D 模擬圖，圖 3-2 為光照度的效果圖。圖 3-1 整體模擬圖22圖 3-2 整體光照?qǐng)D我們根據(jù)光照?qǐng)D跟 K-mark 規(guī)范進(jìn)行校對(duì)，我把結(jié)果制作成一個(gè)表格，更易于分析，如表 3-3。表表 3-3 為為 K-mark 的各點(diǎn)的測(cè)量值的各點(diǎn)的測(cè)量值L110.5lx（1/2HV）HV11.34lx(10lx)R110.5lx（1/2HV）29.05lx(1/2HV)L45.2lx（1.5lx）36.024lx（1.5lx）R45.02lx（1.5lx）我們可以看見每個(gè)區(qū)域都滿足了光照度的要求，但是我們會(huì)發(fā)現(xiàn)