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摘要：  半導(dǎo)體照明(發(fā)光二極管，LED)是新型高效固體光源，具有節(jié)能、環(huán)保和長壽命等顯著優(yōu)點(diǎn)，將導(dǎo)致世界照明工業(yè)的轉(zhuǎn)型和新興半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的崛起。半導(dǎo)體照明是節(jié)能的“富礦”，同樣亮度下耗電僅為普通白熾燈的1/10，節(jié)能燈的1/2，用壽命卻可以延長上100倍。

關(guān)鍵字：  半導(dǎo)體，  照明，  發(fā)光二極管，  LED，  固體光源

半導(dǎo)體照明(發(fā)光二極管，LED)是新型高效固體光源，具有節(jié)能、環(huán)保和長壽命等顯著優(yōu)點(diǎn)，將導(dǎo)致世界照明工業(yè)的轉(zhuǎn)型和新興半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的崛起。半導(dǎo)體照明是節(jié)能的“富礦”，同樣亮度下耗電僅為普通白熾燈的1/10，節(jié)能燈的1/2，用壽命卻可以延長上100倍。

一、 引言

半導(dǎo)體照明(發(fā)光二極管，LED)是新型高效固體光源，具有節(jié)能、環(huán)保和長壽命等顯著優(yōu)點(diǎn)，將導(dǎo)致世界照明工業(yè)的轉(zhuǎn)型和新興半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的崛起。

半導(dǎo)體照明是節(jié)能的“富礦”，同樣亮度下耗電僅為普通白熾燈的1/10，節(jié)能燈的1/2，用壽命卻可以延長上100倍。

隨著LED技術(shù)的快速進(jìn)步和新的應(yīng)用不斷出現(xiàn)，在特殊照明領(lǐng)域節(jié)能效果已經(jīng)顯現(xiàn)。如景觀照明(替代霓虹燈)節(jié)能70%、交通信號燈(替代白熾燈)節(jié)能80%，如能在2010年進(jìn)入普通照明，節(jié)能的效果將更加顯著。

二、 大功率LED

1、術(shù)語解釋

從消耗功率來講，我們通常把毫瓦級LED稱為小功率，把瓦級LED稱之為大功率。

圖1 LED封裝示意圖

2、目前通常所見的大功率LED分為單芯片大尺寸和多芯片小尺寸組合兩種。

圖2 大功率LED(上視圖)

圖3 大功率LED模組

三、 二次光學(xué)設(shè)計(jì)

1、術(shù)語解釋

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2. 技術(shù)背景

現(xiàn)在的交通道路照明設(shè)計(jì)通常采用常規(guī)光源的配光曲線呈廣角度圓周正態(tài)分布，而現(xiàn)在道路照明設(shè)計(jì)大都采用單側(cè)照明，這樣就會造成局部光源浪費(fèi)在屋邊照明的地方; 另外因?yàn)橐勒宅F(xiàn)在的交通照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，道路方向路燈間距一般是3倍于燈高，由于常規(guī)光源的配光曲線的關(guān)系造成有些光源無法照明的黑暗地帶。這不僅造成能源的浪費(fèi)，也給夜間行駛帶來很大的不便，產(chǎn)生安全隱患。

圖4 傳統(tǒng)路燈屋邊照明過多浪費(fèi)

圖5 傳統(tǒng)路燈的燈間不匹配形成照明暗區(qū)

3. 光學(xué)設(shè)計(jì)原理

解決上述問題，本文通過設(shè)計(jì)一種光學(xué)透鏡，并封裝在大功率LED光源上，通過該透鏡對光源的發(fā)光方向作出改變，使其傳播方向發(fā)生偏移，以達(dá)到提高燈具的照明利用率，保證夜間行車安全的目的。

根據(jù)光的折射定侓，光線在經(jīng)過不同的傳播介質(zhì)時(shí)，會在介面上發(fā)生傳播方向的偏移，偏移的方向同入射角度及所經(jīng)過的傳播介質(zhì)的折射率有關(guān)。光的折射率公式： n1sinθ1 = n2sinθ2 ，其中，n1和n2分別是兩個(gè)介質(zhì)的折射率，θ1和θ2分別是入射光(或折射光)與界面法線的夾角，叫做入射角和折射角。

本文設(shè)計(jì)的透鏡頂部是一個(gè)倒圓角的矩形，此矩形與水平面保持一定的斜度，通過光線的折射成為達(dá)到光線偏移的目的。

上面有提到現(xiàn)在的道明照明設(shè)計(jì)中，燈距一般是燈高的3倍，而燈高一般等同于道路的路寬，根據(jù)幾何三角關(guān)系可以計(jì)算出照明燈具的配光角度應(yīng)當(dāng)為C0/180方向約140度，C90/270方向約80度。計(jì)算的示意圖請參照下面圖6。

同樣的，為了提高路燈在道路照明利用率，我們嘗試讓燈具的發(fā)光光強(qiáng)中心往道路方向傾斜一定角度，理想狀況是光強(qiáng)中心落在道路中心線上?？紤]到路燈燈具本身與水平方向會有大約10度的仰角，依據(jù)幾何三角關(guān)系可以計(jì)算出燈具發(fā)光光強(qiáng)中心要往道路方向偏移15~20度。計(jì)算的示意圖請參照下面圖6。

圖6 燈具安裝示意圖

透鏡裝配在LED支架上，支架上固有大功率LED晶片。透鏡的表面上可以增鍍增透膜，在透鏡與晶片間的空腔采用耐高溫硅膠灌封，以減少光線在空腔中的多次反射，直接通過透鏡折射出去。

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此款透鏡相對常規(guī)LED透鏡來說，起到偏光增透作用，相當(dāng)于二次光學(xué)透鏡與一次透鏡融為一體。

圖7 光源結(jié)構(gòu)圖

圖8 Ray Trace

圖9 Illuminance Map

圖10 Polar Candela Distribution

圖11　Rectangular Candela Distribution

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三、 道路照明應(yīng)用

通過特殊光形設(shè)計(jì)的LED應(yīng)用在路燈燈具上，可以使燈具的發(fā)光角度發(fā)生偏移，提升了路邊的照明利用率;根據(jù)矩形的長寬比可以產(chǎn)生長寬比為2:1的光斑，這樣相鄰的光斑之間則不會出現(xiàn)陰影，可以在路面上形成一條明亮的照度均勻的光帶，因而更符合現(xiàn)在的交通道路的照明設(shè)計(jì)，而且還提高了燈具的照明效率，降低了道路的照明功率密度 ，從而達(dá)到節(jié)能、綠色環(huán)保。

應(yīng)用實(shí)例：

大功率LED路燈/九洲光電

圖12 LED路燈燈具

圖13 Equal Candela Curve

圖14 Polar Candela Distribution (C0/180)

圖15 Polar Candela Distribution (C90/270)

圖16 特殊光學(xué)設(shè)計(jì)的路燈形成照明光帶

四、 結(jié)束語

節(jié)能、環(huán)保的半導(dǎo)體照明，是緩解我國能源緊張的有效途徑之一，現(xiàn)在已經(jīng)沒有多少人懷疑半導(dǎo)體照明的廣泛應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)前景了。LED作為綠色、節(jié)能、長壽的新一代照明和顯示器件中的光源，將在5-10年內(nèi)大規(guī)模取代傳統(tǒng)光源，已成為世界各國科技界、產(chǎn)業(yè)界的共識，一場照明領(lǐng)域的革命已經(jīng)清晰地顯現(xiàn)出它亮麗的晨光。

在能源緊缺的社會建設(shè)中，節(jié)能綠色環(huán)保的LED照明是照明產(chǎn)品的發(fā)展必然趨勢! 現(xiàn)在國內(nèi)外照明巨頭在不斷加強(qiáng)LED照明的開發(fā)力量，搶攻中國路燈市場 ，瞄準(zhǔn)了LED照明大市場 。