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按字母分类 ：基于情景照明的大功率LED照明系统设计
摘要&&& 伴随着大功率的提高与产业发展，以LED为的大功率照明系统逐渐替代原有的照明系统，被广泛应用于、体育照明等诸多领域。由于产业发展良劳不齐，导致了其在设计与应用中存在着如道路照明中只注重照度均匀性而忽略了亮度均匀性、体育照明高等问题，这就使得对现有系统的重新设计与优化势在必行。近年来由于国家政策的大力扶持，LED照明行业快速发展己趋于饱和，因此拓展大功率LED照明系统在等新应用领域也迫在眉睫。&&& 本论文的主要目的是研究和设计新型LED道路照明系统、防眩光体育照明系统以及智能植物生长箱。本论文完成了以下几项工作:&&& 1、研究和讨论情景照明的定义，并将其应用于实际照明系统设计中设计一种全新的配光曲线动态调整方法。应用光学理论、MATLAB编程，设计出等亮度路灯lens。&&& 2、应用光学理论、照明设计软件完成一款用于体育照明的防眩光工矿灯设计，并通过人眼视觉的角度分析优化，最终得到一款防眩光效果好的工矿灯。通过光学CAD软件进行分析、优化照明方案，模拟、修正结构设计，最终得到一款等亮度道路照明灯具。&&& 3、研究产业最新进展，并针对农业工厂市场空缺设计出一个智能植物生长箱。&&& 工作创新性体现在:&&& 1、首次将情景照明相关概念应用于大功率LED照明系统的设计中，增加设计的针对性与匹配性，改善照明效果。对现有路灯照明系统的缺陷做出阐释，结合光学、编程软件设计一款等亮度，同时设计一款路灯结构，提高生产效率、解决维护问题和消除安全隐患。&&& 2、针对现有的体育照明系统中存在的高眩光问题，对工矿灯进行改进，使得其眩光值大大降低，能够满足体育照明。同时从人眼的视觉角度分析该产品所带来的视觉优化效果。&&& 3、针对LED行业的整体发展现状与趋势，分析农业应用的可能性及其解决思路。同时设计一款智能植物生长箱，解决现有生长箱的诸多问题。&&& 关键字:大功率LED;情景照明;系统优化;等亮度;防眩光;智能植物照明&&& 本论文的主要工作如下:&&&
第一章对情景照明的概念和现有大功率LED照明系统所存在的一些问题及其解决思路做了详细的阐述，同时对其在农业上的最新应用做简单的介绍。&&&
第四章首先分析了体育照明中存在的一些问题，针对高眩光问题着手研究设计了解决方案。接着讨论了眩光定义及其分类与评价，推导出体育场馆的眩光值公式。将现有工矿灯的模型导入光学软件进行模拟分析，找到降低眩光值的方法。然后通过设计优化，眩光值由GR=52.8降低到GR=24，满足体育照明的需求。最后通过视觉分析，将灯杯内壁的照度均匀度由0.383优化至0.824，灯具兼具高均匀性与视觉舒适感。与现有灯具比较，防眩光优势突出，市场前景广阔。&&& 第二章通过将情景照明的相关概念与实际设计相结合实现了灯具配光曲线的动态调整。详细阐述了配光曲线调整系统控制模块的工作原理，并通过室内乒乓球馆的照明设计，进一步验证了该方法的可行性和实际效益。&&&
第三章分析现有道路系统中较为棘手的弊端，提出解决方案。分析道路照明理论及其数值计算。理论推导计算出路灯lens的内外模型母线偏微分方程，并对其进行程序化得到母线导入CAD中生成初始结构。应用光学CAD软件进行建模优化，最终得到了出光效果亮度均匀性较好的透镜，并将其用于道路照明方案设计中进一步验证设计结果。完成了一款亮度均匀的模块化路灯lens设计。&&&
第四章首先分析了体育照明中存在的一些问题，针对高眩光问题着手研究设计了解决方案。接着讨论了眩光定义及其分类与评价，推导出体育场馆的眩光值公式。将现有工矿灯的模型导入光学软件进行模拟分析，找到降低眩光值的方法。然后通过设计优化，眩光值由GR=52.8降低到GR=24，满足体育照明的需求。最后通过视觉分析，将灯杯内壁的均匀度由0.383优化至0.824，灯具兼具高均匀性与视觉舒适感。与现有灯具比较，防眩光优势突出，市场前景广阔。&&&
第五章首先分析了LED照明产业的发展现状及其瓶颈，讨论了现代农业发展的一些问题和LED照明应用到现代农业照明的可能性。接着分析农业照明的发展现状和主要应用情况，以及国内外不同地区对大功率LED农业照明产业化的支持政策。最后针对植物工厂照明存在的要求，设计了一种智能植物生长箱，给市场带来一种新的产品形态。&&& 第六章总结了本论文完成的工作和取得的进展，提出今后能够继续开展的研究方向。&&& 本论文取得的主要成果有:&&&
1、对情景照明的概念定义做出完整的阐述，通过将情景照明的相关概念与实际设计相结合实现了灯具配光曲线的动态调整。详细阐述了配光曲线调整系统控制模块的工作原理，并通过室内乒乓球馆的照明设计，进一步验证了该方法的可行性和实际效益。分析现有道路系统中较为棘手的弊端，提出解决方案。分析道路照明理论及其数值计算。理论推导计算出路灯lens的内外模型母线偏微分方程，并对其进行程序化得到母线导入CAD中生成初始结构。通过使用光学CAD软件进行建模优化，最终得到了出光效果亮度均匀性较好的透镜，并将其用于道路照明方案设计中进一步验证了设计结果。同时，针对现有灯具结构的缺陷，设计了一款模块化LED路灯结构，解决了现有路灯诸多问题。&&&
2、分析体育照明中存在的一些问题，针对高眩光问题着手分析解决方案。阐述了眩光定义及其分类与评价，推导出体育场馆的眩光值公式。将现有工矿灯的模型导入光学软件进行模拟分析，找到降低眩光值的方法。通过设计优化，将眩光值由GR=52.8降低到GR=24，满足体育照明的需求。通过视觉分析，灯杯内壁的照度均匀度由0.383优化至0.824，兼具高均匀性与视觉舒适感。与现有灯具比较，防眩光优势突出，市场前景广阔。&&&
3、分析了LED照明产业的发展现状及其瓶颈期，同时分析了现代农业发展的一些问题，分析两者相结合达到农业照明的可能性。分析了农业照明的发展现状和主要应用情况，以及国内外不同地区对大功率LED农业照明产业化的支持政策。针对植物工厂照明存在的一些问题，着手设计了一种智能植物生长箱，解决了现有产品的诸多问题的同时给市场带来一种新的产品形态。&&&
最后本论文提出可以做更多改善和提升的研究:针对第三章设计的大功率LED道路照明灯具，可以引入智能照明相关思路，针对不同的道路实行无人化管理，同时对路灯的灯光调节、不同天气所需要的不同照度调节等作出相应的设计优化;也可以将智能道路照明与智能交通监控相结合，构建安全和谐的道路行车、人员安全环境。第五章设计的智能植物生长箱，目前仍然只处于实验室阶段，后期应将其投入实际生产中来找出该设计存在的不足并做出改善，以达到真正的投产阶段。针对照明行业发展的瓶颈阶段，拓宽大功率LED照明系统的最新应用，将其应用于通信系统中，使整个行业的发展方向能够更全面。1.1情景照明概述&&& 随着近代科学技术的进步，大功率LED照明系统设计作为一个专门的研究方向己经完整建立起来。照明系统己经有了明确的定义:将光能有效地从光源传播至受照面，并使之呈现一定的分布状态。随着精密器械的发展，除了常见的室内照明外，LED也广泛应用于汽车、仪表等。&&& 所谓情景照明，最早由飞利浦照明提出将照明方案的设计与实际应用场景相结合，就是针对不同的应用情景，设计不同的照明系统、照明方案，使之达到最优照明效果。本文在此基础上进一步研究，将情景照明与灯具设计相结合进行照明灯具、方案的整体设计。&&& 传统的照明灯具设计更多地从灯具本身出发，设计出良好的出光效果。很大程度上忽略了实际应用环境对照明效果的影响。&&&
而情景照明与之不同，它的主要特点在于:情景照明将灯具的发光特性与受照面的反射(吸收)特性相结合，并且考虑实际应用情景中外界因素的干扰，对照明系统进行相应的补偿。因此情景照明灯具(方案)具有独特性、针对性等特点。本文在此基础上进一步研究，将情景照明与灯具设计相结合进行照明灯具、方案的整体设计。1.2大功率LED照明系统应用情景存在的问题与解决思路&&&
随着LED芯片产业的发展，其光效己经大于150 lm/w，一般用于商照的大功率LED芯片指功率在O.5 W ,& 1
W及以上的芯片。虽然单颗芯片的己经大于传统光源数倍，但实际使用中需要使用多颗芯片按一定设计分布于PCB板上方能满足照明需求。因此目前在采用LED作为光源的照明系统中，一般需要将LED芯片在满足光通量需求的条件下，结合散热结构设计以特定的形状排列。其中芯片的数量以及阵列方式往往决定了该系统的照明质量，如、发光角度等。在灯具结构的设计中，考虑到整体的成本，一般尽量紧凑的排布会节省很多资源。&&& 在国家政策的扶持下，大功率LED照明系统广泛应用于日常生活中，如室内灯具、汽车用灯、道路灯具、TV背光等。受到整体水平的制约，整个产业的发展参差不齐，仍有很多亚需解决的问题，其中应用最为广泛的道路、体育场馆尤为突出。&&&
随着改革开放的进展，我国居民的生活水平得到了质的提升，城市越发繁荣，人民在夜间出行、开车等越发频繁。这也就要求了城市必须配备相应的照明系统，一方面能够满足居民的夜间活动有序进行，另一方面也为城市的夜色带来点缀，使城市越发美丽，也是城市发展水平的一个重要体现。道路照明不仅要为行人提供行动指引，更重要的是为夜间车辆行驶营造良好的光照环境，方便行人、驾驶员能够看清楚道路状况，保障夜间的交通有序进行。可以说，道路照明是现代都市的脉络和眼睛。&&&
由于芯片的发光特性，使得照明系统中使用的大功率芯片都必须经过配光设计方能满足照明需求。一方面需要有良好的光学理论支持，另一方面国家地区也需要不断完善相应的配光标准。近些年来，LED路灯得到广泛普及，国内外在道路照明标准的研究也不断深入，目前已经有比较完善的标准。如北美的ANSI/IESNARP-8-00，欧洲的BS
EN 13201以及国内的CJJ 45。&&&
这些标准主要是从人文的角度出发，分析人眼的视觉特性和机动车的驾驶特性，以均匀性作为主要指标来衡量一个照明系统的质量。然而国内的一些相关从业者却忽略了这一点，而从照度均匀性来衡量。这就造成了诸多问题，其中道路“斑马效应”最为严重。查阅国际照明委员会制定的一些相关标准，以及国内外学者的一些研究，不难发现这个问题是可以从改进光学等设计得到改善，本文将研究讨论给出详细的设计方案。&&& 另外体育场馆照明作为现代运动的一个重要支撑，其照明需求往往高于普通照明。以往现代体育场馆照明系统使用的灯具有:、、、，随着产业的发展。LED工矿灯、等势必将取代传统灯具。目前体育场馆照明鱼需改善的问题主要有：&&& 1、眩光危害。眩光不仅会对正常的体育活动造成影响，而且短时间会造成人眼视觉疲劳，长时间会造成失明。一个良好的体育照明系统对眩光等级有着非常严格的要求。&&&
2、灯光效应。光源的频闪越严重，对人眼造成的伤害就越大。其在体育活动中的表现主要有:空中飞行着的球体的飞行轨迹，会出现重影、轨迹拖尾、轨迹弯曲等诸多空中飞行轨迹不真实现象，造成球体在空中定位不准确;因照明环境频闪效应危害导致的球体在空中定位不准和加重人眼睛的视觉疲劳度，这两种现象是体育运动羽毛球场馆照明工程中不应该存在的问题。&&& 综上所述，体育场馆照明质量的问题可谓棘手，如何提高体育场馆的照明质量成了照明工程师的一大难题。LED光源本身不存在频闪问题，无需考虑，因此本文着重从眩光控制、和光效利用方面入手，来提高体育场馆的照明质量。&&& 随着光学精密机械等技术的进步，追求优质的LED照明配光性能在业界己经达成共识，虽然其设计难度比较大，目前仍存在诸多问题，但是通过不断研究改进设计，各类问题也会逐步得到解决。1.3大功率LED照明系统的新应用&&&
LED作为照明光源被成功地应用于现代农业上，对整个产业有着深远的影响。传统农业照明系统也势必会被LED所取代。很多国外国家与地区率先拓展农业照明的市场空间，如美国、日本等。国内厂家也不甘示弱，并有赶超的趋势。LED以其显著的优势而被各类农业照明所采用。主要如下:&&& 食用菌工厂照明&&&
在我国，食用菌是一种广为民众喜爱的食物，有上千个品种，年总产值上千亿约占全球产量的七成以上。食用菌在栽培中大量采用集约化生产，虽然对光照强度需求低，但对光照质量要求高。良好的光环境控制对其产量有着巨大的影响，光源的质量以及光环境系统的控制鱼需产业化。&&& 植物工厂照明&&& 现代城市发展与生活节奏的加快，对实用农作物的新鲜度及需求量剧增，植物工厂以其高生产效率而应用于中药、蔬果等集约化生产中。植物对人工光源的吸收效率是露天的100倍以上，实现快速生长是未来的趋势，市场空缺巨大。&&& 畜禽与水产养殖照明&&& 实验表明:加大蓝绿光照明对于家禽的成长速度有显著提高。家禽场:加强光照时间、强度等，减少成长周期。人工水产养殖:为水域灭菌，减少鱼类的死亡率。LED诱虫灯:通过吸引害虫并杀害来达到防虫害的目的，助推无农残化生产。1.4本文选题意义及研究内容&&& 随着经济的飞速发展，能源消耗与日俱增，其中照明用电占着非常重要的一部分。能源消耗严重而产生的负面效应逐渐凸显，大有反制约经济发展之势。LED以其高光效、节能等优点，开始广泛应用于各行各业照明中，逐渐取代传统光源。&&&
随着产业的发展，市场中产品的问题也不断暴露出来:如在道路照明系统中，一方面盲目追求照度均匀度，忽视了亮度均匀度，导致所生产的产品在实际使用中带来“斑马效应”等问题;另一方面，过分追求价格优势，在灯具的机械结构中大量采用公模使得产品缺乏创新、维修难度大、维护成本高。在体育场馆照明中，直接使用LED灯具替代原有灯具，导致在实际使用中存在高眩光等问题，对体育活动的正常进行产生了很大干扰。最后，在产业发展日趋成熟的今天，为了扩宽市场给行业注入新鲜血液，业界开始将目光转向农业方向，在发展摸索的近几年，市场中的产品良萎不齐，无法给生产、生活带来实质性变革。&&& 为了解决上述问题，本课题应运而生，本文重点解决了以下几个问题:设计一款路灯，解决现有产品的光学、结构缺陷;设计一款防眩光工矿灯，解决现有产品高眩光问题;设计一款智能植物生长箱，解决农业照明产品问题。&&& 第一章对情景照明的概念和现有大功率LED照明系统所存在的一些问题及其解决思路做了详细的阐述，同时对其在农业上的最新应用做简单的介绍。&&& 第二章通过将情景照明的相关概念与实际设计相结合提出了灯具配光曲线的动态调整方法。详细阐述了配光曲线调整系统控制模块的工作原理，并通过室内乒乓球馆的照明设计，进一步验证了该方法的可行性和实际效益。&&&
第三章分析现有道路系统中较为棘手的弊端，提出解决方案。分析道路照明理论及其数值计算。理论推导计算出路灯lens的内外模型母线偏微分方程，并对其进行程序化得到母线导入CAD中生成初始结构。应用光学CAD软件进行建模和优化，最终获到了出光效果好亮度均匀性的透镜，并将其用于道路照明方案设计中进一步验证设计结果。完成了一款模块化LED路灯结构设计，较好的解决了现有道路照明系统中存在的一些问题。&&&
第四章首先分析了体育照明中存在的一些问题，从最为棘手的高眩光问题着手分析解决方案。接着讨论了眩光定义及其分类与评价，推导出体育场馆的眩光值公式。将现有工矿灯的模型导入光学软件进行模拟分析，找到降低眩光值的方法。通过优化设计，将眩光值由GR=52.8，降低到GR=24，满足体育照明的需求。最后通过视觉分析，将灯杯内壁的照度均匀度由0.
383优化至0. 824，灯具兼具高均匀性与视觉舒适感。与现有灯具比较，防眩光优势突出，市场前景广阔。&&&
第五章首先研究了LED照明产业的发展现状及其瓶颈期，讨论分析了现代农业发展的一些问题，分析两者相结合达到农业照明的可能性。接着分析农业照明的发展现状和农业照明的主要应用情况，研究国内外不同地区对大功率LED农业照明产业化的支持政策。最后针对目前植物工厂照明存在的一些问题，设计了一种智能植物生长箱，解决了现有产品的诸多问题的同时，给市场带来一种新的产品形态。&&& 第六章总结了本论文所做的工作及取得的进展，提出今后能够继续开展的工作方向和思路。1.5论文的创新之处论文的创新性体现在:&&&
1、首次将情景照明相关概念应用于照明系统的灯具设计中，使方案更具有针对性，所完成的产品对于应用情景的匹配度大大增加，照明效果也得到了很好的优化。针对现有的LED道路照明灯具设计中存在的一些理念无趣做出阐释，并且结合光学、编程软件设计出一款等亮度照明LED路灯，达到了很好的均匀性。同时针对现有路灯的结构缺陷以及存在的问题做出解决方案，设计了一款路灯结构，提高生产效率的同时解决维护问题以及消除安全隐患。&&& 2、针对现有的体育照明系统中存在的高眩光问题，对工矿灯进行改进，使得其眩光值大大降低，能够满足体育照明。同时从人眼的视觉角度分析该产品所带来的良好视觉优化效果。&&& 3、针对LED行业的整体发展现状与趋势，分析农业应用的可能性及其解决思路。同时设计一款智能植物生长箱，解决了现有产品存在的光能利用率低下等一些问题具有较好的市场应用前景。第二章 基于情景照明的LED配光曲线调整方法研究2.1引言&&&
作为第四代光源的 (Light Emitting Diode
)，其发展开辟了一个新时代。因其光电转换率高、发光时间长、能耗低等优点备受业界青睐，发展迅猛。以LED作为光源的灯具逐渐取代传统灯具。LED产品与技术应用于各类领域，例如道路、工矿等。&&&
大部分LED光源的辐射角度分布都是呈朗伯型分布(Lambertian distribution
)其发光角度在110°至120°之间，照明效果为面积较大的圆形区域，一般不能直接用来做照明装置，必须通过二次光学设计来改变配光特性。不同LED照明装置的发光角度、发光强度等大为不同，通常使用LED配光曲线来表征LED照明装置的光线强度随角度位置变化的分布情况，其中“半光强角度”是配光曲线的重要特征。如图2-1所示:&&&
图2-1中极坐标半径表示灯具的发光强度，垂直向下方向为灯具的中心方向，不同方向与垂轴的夹角表征不同的发光角度，相同半径圆弧表征不同角度等光强位置。曲线E为灯具配光曲线，其最上方的坐标原点O为灯具发光位置，极轴半径最长的C点为最大光强位置，点A和B分别为此配光曲线E两侧的半光强点，即A和B点光强数值为C点的一半，角D是该配光曲线的半光强角度，即OA,
OB的连线的夹角。我们通常用D来衡量灯具配光曲线张角的大小。2.2情景照明的配光曲线调整原理&&&
所谓情景照明，就是针对不同的应用情景，设计不同的照明系统、照明方案，使之达到最优照明效果。传统的照明灯具设计更多地从灯具本身出发，设计出良好的出光效果。很大程度上忽略了实际应用环境对照明效果的影响。而情景照明与之不同，它的主要特点在于:情景照明将灯具的发光特性与受照面的反射(吸收)特性相结合，并且考虑实际应用情景中外界因素的干扰，对照明系统进行相应的补偿。情景照明灯具(方案)具有独特性、针对性等特点。&&&
一种配光曲线对应一种照明效果，实际应用情景中，不同时段往往需要有不同的照明效果。比如比赛场馆的照明需求:当尚未进入比赛状态时整个场馆的照明需大体相当，但是进入比赛状态后比赛场地对照明效果的要求远远高于观众席。如何满足这样的不同照明需求，一是安装不同的灯具，二是安装可以调整发光角度的灯具。从经济效益、安装难度等考虑，方法二显然才是我们最应考虑的。如何在一种灯具中实现配光曲线的调整，己然成为照明行业函待解决的问题之一。&&&
通过采用两个或以上具有不同半光强角度的LED发光模块，分别使用驱动电流使之发光，整个LED灯具的光强分布是各LED发光模块光强的叠加。在需要调整配光曲线时，通过调整不同模块的权重值，使两个以上具有不同半光强角度的LED发光模块进行光强变化的结合，就实现了灯具配光曲线的变化。2.3控制模块的工作原理为了解决上述问题，本文使用了一种LED配光控制装置，主要包括控制模块、两个以上的LED发光模块连接端，来实现配光曲线的调整过程，如图2-2所示:&&&
通过使用控制模块实现控制LED发光模块连接端的电流平滑连续变化，使LED发光模块连接端中的第一LED发光模块电流减小，并同时使第二LED发光模块电流增大;然后控制第二LED发光模块电流减小，同时增大第三LED发光模块电流;如此递进，直至按预设要求减少第n-1
LED发光模块电流，同时增大第n LED发光模块电流。如图2-3所示:&&& 具体调整步骤如下:&&& 首先，将两个或以上具有不同发光角度的发光模块预制在照明装置中;减小第一LED发光模块的电流，同时增大第二LED发光模块的电流，观察分析此时的LED配光曲线;&&& 其次，减小第二LED发光模块的电流，同时增大第三LED发光模块的电流，检测分析此时的LED配光曲线;&&& 接着，直至得到理想的配光曲线，假设此时已经按预设的要求减少第n-1 LED发光模块的电流，同时增大第n LED发光模块的电流。&&& 需要注意的是，为了达到最优的调整结果，在上述调节过程中，电流的减小和增大过程为平滑连续的，减小LED发光模块的电流时，可减小至零:增大LED发光模块的电流时，可增大至其最大值。2.4 配光曲线的调整方案&&& 为了进一步验证上述方法的可行性，下面将以室内乒乓球馆照明方案设计为例做深入分析。球馆长宽高为14m*7m*4m，球台长宽高为:2.7m* 1.5m*0.76m。使用CAD软件对其模型进行简单构建，其平面简图如图2-4所示:&&&
因为场馆的长度和宽度方向分析方法相同，下面只对球馆宽度方向进行分析。为了达到最好的照明效果，以球台为中心宽为2米的区域划为比赛区域，众所周知比赛区域的照明质量要求明显要高于其他休息区域，通过查阅相关标准可知比赛区域的照度要求为休息区2倍以上，为了计算方便，这里以2倍为例。&&& 我们将灯具安装在球场的正上方，通过计算可知，全区域的照明角度约为820，比赛区域的照明角度约为53°。通过上述优化，最终选定2个模块如图2-5所示:&&&
为了满足照明需求，我们选用两个照明模块，其中模块一:半光强角度为引。的模块，模块二:半光强角度为26.5°的模块。通过分析场馆的工作状态，我们可知灯具照明有三种情况:①处于比赛休息阶段或赛前场地布置状态，此时对比赛区域无特殊要求，模块一处于工作状态，模块二不工作;②处于比赛阶段且休息区有照明需求，此时模块一和模块二同时处于工作状态;③处于比赛阶段但休息区无照明需求，此时模块二处于工作状态，模块一不工作。&&&
对于情况①，模块一的发光强度达到一个单位值即可满足照明需求;对于情况②模块一的发光强度达到一个单位值便可满足休息区的照明需求，此时比赛区仍需一个单位的照明强度，因此模块二发光强度达到一个单位值即可;对于情况③模块二的发光强度需达到两个单位值方可满足照明需求。&&& 综上分析，我们只需在灯具内置入发光强度为一个单位值的模块一，和发光强度值为两个单位值的模块二，并且通过控制端对其电流进行控制，来满足上述需求。这样就实现了通过一个灯具的照明来满足整个场馆的照明需求，从而大大降低了灯具成本和维护难度。2.5 本章小结&&&
与现有的利用透镜等对配光曲线进行调整的方法相比，本章阐述了使用两个及以上具有不同半光强角度的LED发光模块，整个LED灯具的发光强度分布是各LED发光模块光强的累加，在需要调整配光曲线时，减小其中一个LED发光模块的电流，同时增大另一个不同模块的电流。如此在变化过程中，两个以上具有不同半光强角度的LED发光模块的光强此消彼长变化的结合，就实现了灯具配光曲线的变化。通过室内乒乓球馆的照明设计，进一步证明了该方法的可行性和实际效益。第三章 模块化等亮度路灯的设计与优化3.1 引言&&&
近年来，随着科技的进步，新能源技术与大功率LED照明系统相结合，国家推出“十城万盏”的计划之后，LED照明系统再次成为社会关注的热点。由于LED二次配光技术的改革与进步，相比于高压钠灯HPS为主的传统路灯，LED路灯在能效、照度均匀度等方面都有了质的飞越。然而，在实际的道路中由于路面的种类不同等因素制约，现有的照度均匀技术己经无法满足实际应用情景，随之而来的诸如“斑马效应”等严重问题正困扰着道路照明灯具研究的学者们。&&& 国际照明委员会在1977年出版第12.2号文件以来，在欧美各国的道路照明系统就广泛采用和推广亮度标准，并作为相关从业者设计标准而广为人知。我国也引入该标准，并在CJJ45中进一步强化和改进，不同的路面有不同的照明要求，具体如表3-1所示。&&&
但随着照明行业的蓬勃发展，许多外行人士纷纷转入，他们对于路面亮度和照度的理解不够，将照度均匀与亮度均匀相混淆，从而导致整个行业对于亮度标准执行的弱化并且有可能被照度标准取而代之。解决这个问题，当务之急应当是清楚的分析二者区别，并且设计出等亮度灯具替代市场上现有的等照度路灯。&&&
此外，现有的灯具结构也有着致命的缺陷。现有的道路照明灯具结构均以功率划分，不同功率的灯具具有不同的结构，不同功率的灯具不能相互替换。在灯具模组的选用时，为了经济效益最大化，通常选用公模而非自己开模。这样一方面浪费了设计的人力物力投入，另一方面加大生产加工的难度，更为致命的是对灯具的维护造成很大的难题。&&& 为解决上述问题，本文提出一种全新的设计理念，并完成了相应灯具设计。灯具就像搭积木一样可以增加减少，对于同一种路面只需设计一种模块，在不同的照明需求下只需改变灯具模块数量就能够达到既定的照明效果，大大减小了设计、生产的周期，市场前景广阔。3.2道路照明及其配光曲线3.2.1道路的横截面与照明&&&
城市干道机动车道为3.5米。而高速公路车道一般在3.5-3.7米。道路行车方向相垂直的方向即道路的横截面，主干车道除了机动车道外，还有绿化带、人行道等其他设施，如图3-1所示。在道路照明灯具设计中，通常以C-Y坐标系为基础进行建模，此时的横截面与灯具光度空间分布的C90°-C270°相平行。在这个平面中，灯具的发光角度与灯具光线对于路面的覆盖情况成正比。下面以某路灯为例进行计算。假设灯具的高度为H，在C90°-C270°面对称发光且角度为a，灯具的安装仰角为p，则灯具的发光极限距离D1，灯具在此平面的中心轴与水平面的夹角V为:3.2.2道路的纵向照明&&&
道路行车方向即为纵向面，与灯具光度空间分布的C0°-C
180°相平行。灯具的光度空间分布、发光角度、光型对称程度等因素都会对纵向照明效果产生巨大影响。其中灯杆间距的设计尤为重要，决定了纵向照明效果。一方面可以根据灯具配光曲线分析出最佳的间距排布，另一方面可以根据国家标准CJJ45进行参考设计，具体如表3-2所示，其中H为安装高度，S为安装间距。&&& 在纵向方向上的亮度均匀度是指在同一车道上亮度的两个极值的比值，其作为衡量该方向照明的一个重要指标，在实际道路照明方案中起着至关重要的作用，是设计能否达标的关键因素。纵向均匀度指标达不到要求容易造成人眼的视觉疲劳，从而引发事故。3.2.3纵向配光曲线&&&
分析路灯的发光特性，首先得分析CO°-180°纵向面，“蝙蝠翼型”是市面上较为常见的路灯配光曲线，即两边光强大中心光强小。分析这种配光的照明效果均匀性，其光强值I与两者距离d成正比，即距离增大时光强值上升，距离减小时则相应降低，如图3-2所示。当然，这只是理论上的一种模型，实际的光学系统由于技术的局限性使得纵向均匀性整体较低。&&&
进一步分析纵向配光曲线，可以证明纵向均匀度与配光曲线底部弧度情况相对应，弧度趋近于水平时亮度纵向均匀度越高。具体到不同的使用环境必须结合相应的路面情况，底部弧度越接近水平，光的扩散也会随之增大。在进行配光设计的时候必须根据具体路面的反馈情况进行相应的数据调整，方能达到最优的设计结果。3.2.4横向配光曲线&&& 与纵向配光曲线相对应的，就是横向配光曲线，即C90。-270。平面的配光曲线，在这个平面上的配光曲线通常分为:.对称型、非对称型两种。后者主要适用于路面较宽的情况，对于普通路面两者的照明效果相差无几。&&&
当路面宽度达到20米甚至更大的时候，为了减小灯杆悬臂的长度，往往需要采用非对称型配光灯具。如图3-3所示将路面分为左右两部分控光区域，以路宽30米为例进行分析，使用两款发光角度均为α=75°的灯具，偏光型灯具的偏心角度αp=25°，杆高H=10米，悬臂往马路方向伸出0.5米。可做简单计算如下:&&&
通过计算分析可以得到，如果使用对称分布配光的灯具则需要将灯具伸出马路4.8205米方能满足照明要求。而使用偏光25。的灯具，只需要将灯具的倾角设置为11.8699°不需要将灯具伸出马路就能够满足照明需求，这足以说明偏光灯在宽路面照明情境中的巨大优势。3.3 设计基础分析3.3.1设计的基础理念&&&
随着计算机技术的进步，现代光学设计中的LED照明系统设计，己经从初期的等照度慢慢向等亮度出发。传统的等照度设计出来的光学透镜，如花生米透镜利用正相出光曲面凹陷而达到受照面的照度均匀的效果，但这往往会带来路面亮度的均匀性较差的后果。究其原因主要是正相曲面曲率未能达到照度一亮度的均衡点。&&& 从机动车驾驶员的角度分析，目视系统所能直接感受到的是路面的亮度均匀性，均匀性不好的系统会影响人眼的正常判断。3.3.2控光区域的划分计算&&&
将道路照明系统中不同路灯所控制的不同区域进行简单划分，如图3-4叉点区域所示，这也是通常情况下路灯照明系统所能覆盖的区域。这个区域的形状也决定了灯具的光斑效果形状，二者只有高度吻合才能有好的照明效果。区域中心的横线为光强中心偏向位置线，当路灯设置为无仰角状态时，灯具所发光斑的中心光强线越接近中心线则照明效果越好。&&& 同时，也可以通过这个划分区域来计算灯具的最小横向偏向角Y，设灯具悬臂长度为0.5米。通过简单计算横向区域90°-270°的偏心角度如下，马路宽度以30米为例、灯杆高度10米。&&& 所计算出的γ = 34.9920°为灯具水平放置时发光的偏角，灯具安装倾角最大角度为15°，则发光倾角至少需要γ1= 19.9920°。实际设计中还有很多其他变量，如扩散角等。下面分析扩散角。同样在C90°-270°扩散角度计算如下。S1=15-0.5=14.5m;& S2=5+0.5=5.5& H=10m通过简单的计算可知，灯具在横截面C90。-270。的扩散角a)&& 84.2185°。同理，分析C0°-180°平面可以计算出其扩散角为:其中S3=20为灯杆间距40米的一半，带入数值计算可得:故，该灯具的发光半角至少为126.8699°。综上所述可得表3-3如下:3.4光学系统设计3.4.1光学理论分析&&& LED灯具实质上是一个复杂的光学系统，一个优秀的设计过程包含的不仅有透镜的出光效率考虑，更应该关注光源芯片变化对透镜设计所产生的影响。下面首先分析光线的传导过程。&&&
众所周知，照明设计就是充分考虑到目标平面的光能量分布，由边缘光线原理可知，受照面的光能量分布与边缘光线息、息相关。搭建光传播原理如图3-5。入射光线与透镜自由曲面交于一点L(x,z)，透镜的材料与折射率决定了透镜的透光率、出射光与透镜的夹角等，市面上常用的lens材料主要是PC和PMMA，其中PC主要用于户外产品，PMMA主要适用于产品。&&& 假设出光与外表面法线成α1与目标受照面成α2。由数学三角理论可推出相关方程。透镜与光源之间为空气间隙，透镜与空气折射率分别为n和1，由三角函数关系式，设m2为法线斜率，tanΦ2和tanα3分别为入射和折射光线的斜率，则：将α1、α2带入A1,A2可得:由数学推导，可将上式的m2，Φ2，α3表示为:则得到自由曲面母线的偏微分方程如下:3.4.2编程建模&&& 对于大型光学系统模型设计优化，往往需要数学建模以及相应的程序编辑来辅助。通过数学建模得到初始模型，在此基础上做进一步的分析优化，最后得到最优结果。&&&
首先分析光线在介质与空气的临界面折射情况，作分界面光线折射图如图3-6所示，光线入射角度为B，折射角为D，延长入射光线得到角E=B。折射光线与入射光线的夹角为A。因为目标受照面为人为设定，因此A为己知量，进而D也为已知量。设角D=d，角E=ac，角B根据折射定律可知:由上面光线理论分析，将自由曲面的母线偏微分方程进行MATLAB编程序如&&& %n2 is the refractive index&&& %n1 is the air refractive index n1=1&&& A=linspace(angle l ,angle2,num);&&& n2=T&&& k=A/180*pi-pi/2;&&& Complementary angle=pi/2-k;&&& y=sin(Complementary angle);m=n2-cos(Complementary anglex);&&& Radianx=&#39; atan(y./m)&#39;;&&& R2=eval(Radianx);&&& Anglex=R2* 180/&&& Table=[A&#39;,ax&#39; ]&&& %The Table is using the permutation matrix to make the table containing therelationshipAnS=?>>nlot(Table&&&
进一步检验程序，同时分析CO°-180°轴面的数学模型:以n*2的矩阵，其中n为手动设定的己知数。下面以n=3为例进行分析，而两光线的夹角区间选择150°-175°，则我们可以表示为:Profile=[150:5:175]，带入程序可以得到如下结果:;A=linspace[ 150:5:175];n2=1.4935;k=A/ 180 * pi-pi/2;z=pi/2-k;y=sin(z);m=n2-cos(z);x=atan(y./m);ax=x* 180/Table=[A&#39;,ax&#39;];Plot(table);TableTable=150.0000155.0000160.0000165.0000170.0000175.000038.549435.743631.698626.131818.8480& 9.9405&&& 所生成的表格中，后面对应的数值即为D角的角度，通过将此数值拟合生成LED透镜的母线，再使用CAD软件进行建模分析。3.4.3光学设计与优化&&&
在LED路灯照明系统设计过程中主要使用到的计算机CAD软件有TracePro,ProE/Solidworks,
dialux等。其中TracePro主要做光学追迹以及光学特性分析，ProE/Solidworks主要用于三维建模，而Dialux则更多应用于结合具体使用环境的照明方案设计。首先，利用TracePro分析，其主要步骤如图3-7。&&&
为了设计的准确性，我们使用档案光源(file
source)来进行设计，所使用的芯片是美国CREE公司的XPG系列，从CREE公司网站下载光源的TracePro档案文件，并设置相关选项如图3-8所示，波长采用546.1run，单位选择photometric(光度学)。将3.4.2中所生成的母线导入CAD软件，并进行相应的结构完善，最终生成自由曲面透镜如图3-9所示。其内外均为曲面结构。&&& 因在上文的分析中，已经对透镜的结构作深入的分析计算，故生成的透镜已经为较优方案，但仍需对此做进一步优化方能得到最优结果。在透镜的优化过程中，无需对整体结构做出大调整，只需对其内外表面的母线做适当调整，并进一步分析照明效果，即可得到最终的优化方案。&&& 下面，将以此透镜为例做透镜的优化分析方法探究。&&&
将该透镜保存为TraeePro可兼容的文件格式(*.sat或者*.stp
)，这里我使用*.stp格式，将透镜导入TracePro软件，考虑到路灯为户外灯具，这里选用pc材料，在TracePro中设置其材料为:polycarbonate
(PC材料)，这里我们应注意其波长是否与光源设置的波长一致，同为0.5461 mm，同时设置安装高度等相关参数。&&& 基本参数设置完毕。对光学系统进行光线模拟追迹，为了能更加清楚地分析光线的整体走势，追迹完毕后进行相应筛选设置去除杂散光对分析的影响，可以得到效果图如图3-10所示。&&& 为方便分析模拟结果，设置照度图、光强图等相关选项。可以得到直角坐标、极坐标光强图、辐照度图分别如图3-lla, b. c所示(其中0为纵向即为行车方向，90为横向):分析图3-llc照度图可以知道这个透镜沿纵向对称分布，结合布灯方式可以初步判断这个透镜目前仍然无法满足照明需求需要做进一步优化处理。故优化其内表面，对其母线进行局部调整，使其横向切面如图3-12。同上，再将透镜导入TracePro做进一步的模拟和优化，经过多次修改后，最终得到模拟结果如图3-13所示。其中a:直角坐标光强图、b:极坐标光强图、c:辐照度图。&&& 分析对比前后两次模拟的结果可知灯具已经实现了很好的偏光，符合道路照明。对透镜进一步优化、微调，使得在照明区域内照度均匀度达到最好，得到最终的优化结果。具体如图3-14所示。其中a:直角坐标光强图、b:极坐标光强图、c:辐照度图。&&&
分析照度图，进行初步计算后，可知在目标区域内(14*20m)己经基本实现了较好的照度均匀性。为了进一步验证设计的准确性，将现有灯具导出光源文件(*.ies
)导入Dialux中进行道路方案设定并优化，该方案的主要参数有:杆高l
Om，安装倾角为150，灯具伸入道路长度为2m，灯杆间距为20m，布灯方式为双向对称布灯，双向4车道(共8车道)中间设置有分隔岛。参照CIE道路照明的标准，选用柏油马路R3，其镜面反射率qo=0.070。主干道的照明等级参照CJJ45国标选用ME2等级。其他相关标准按照主千道的要求进行设置。参数设置完毕后，对方案进行模拟分析计算，计算出来的道路照明方案、整体照明效果如图3-15所示(其中单灯的光通量设置为15000 lm):&&& 由上面模拟结果可以得到:平均亮度1.54cd/m2，总均匀度Uo=0.67，纵向均匀度UL=0.87阂值增量TI=8，周边照度系数0.71，均达到要求。&&&
通过分析相关报表，该灯具完全满足照明需求。考虑到实际灯具不止一个透镜，一般为一组透镜阵列，但是由于照明距离较远，因此灯具相对于马路可以假想成一个点光源，为了模拟整个灯具，对光源的总光通量进行放大。通过上述方案的模拟，我们可知单灯的光效达到15000
lm时，灯具可以满足照明需求，透镜的效率值可由照度图底部读取，为0.768，所以光源的光通量至少得为:=195311mo为方便数值分析，这里以20000
lm为例进行设定。&&& 为了进一步分析灯具性能，在TracePro中设置两个透镜、两个光源，他们间隔均为20m，沿着原点对称分布，设置接收面40*40m进行模拟，效果如图3-16所示:&&& 粗略估算其照度值，目标区域内，Emax=55 lx，Emin=35 lx，所以其均匀度为U=35/[(55+35)/2]=0.78。可见，双灯模拟结果依然很好，能够满足使用要求。3.4.4模块化结构设计&&&
完成光学设计后，开始对其灯具结构做进一步分析。传统LED路灯只是在灯具中由一个模组或若干模组组成并用外壳固定，模组数量一旦确定后就无法更改。这一个或若干个模组共用一个电源，而LED户外灯具中最容易出问题的也恰恰是电源，一般电源寿命两三年，远远小于LED芯片的实际可使用寿命，造成很大的资源浪费:同时因为只有一个电源，电源一旦出现问题，整灯就无法工作。而电源又是路灯中最脆弱的一个环节，据业内人士不完整统计，普通的电源寿命一般只有1}2年，远远小于光源的寿命。因此电源问题不仅会造成资源的严重浪费，同时在实际使用中存在很大的安全隐患。对这样的产品做出重新设计，俨然己成为业界共识。&&& 为了能够对这些问题做进一步的剖析和解决，通过分析市场现有的产品，还发现这些产品中存在着如下巫需解决的问题:①灯具的外框是固定的，因此该灯具所能安装的模块数量上限也随之固定，导致该灯具能够使用的范围固定，无法满足不同的照明场景需求。②普通灯具的LED照明模块共用一个驱动电源，一旦电源出现问题整灯将无法工作，在实际使用中存在很大的安全隐患。③普通灯具的维护极其麻烦，一旦某个模块出现问题，就必须将整灯替换掉，存在很大的资源浪费以及经济损失。&&& 为了能够切实的解决上述问题，为业界带来一款全新的产品，本文着手研发了一种全新的模块化结构，其照明模块拆解后的主要零部件如图3-17所示。从左到右依次为:PCB板、路灯透镜、散热器、电源箱盖板。针对上述问题，本文所提出的解决方案主要设计思路如下:&&& 首先，通过设计可扩展连接装置，使灯具的模块数量可变，通过对不同道路的照明需求进行单位化，只需简单地增加或减少照明模块的数量来实现对不同亮度需求的满足，还可以解决在一定使用时间后LED不可避免的光衰所带来的亮度衰减问题。&&& 然后，使每个LED照明模块拥有独立电源使之独立工作，不同模块间并联工作，这将避免某一个LED照明模块的问题而导致的整灯无法正常工作，解决不同模块之间共用一个电源而带来的安全隐患。&&& 最后，通过整体结构、电路设计，使每个模块单独工作并且拆装方便，不同模块之间的连接如USB拔插一般方便，一旦其中个别模块出现问题，只需将其用新模块替换即可，无需整灯替换，降低维护难度和人力物力的同时提高维护效率。&&& 将上述零部件组装成照明模块和整灯后，其结构如图3-18所示。从上往下依次为:(a) LED路灯照明模块装配图、爆炸图，(b)LED路灯照明模组示意图，(c)LED模块化路灯整灯结构图。本设计也得到专业人士的认可，成功申报2项发明专利，己进入实质性审查。3.5本章小结&&&
本章首先通过光学理论推导计算出LED透镜的偏微分方程，将该方程进行Matlab编程后得到LED透镜的母线，导入CAD软件后得到透镜的初始结构，应用Tracepro软件进行光学模拟追迹分析，结合CAD软件进行建模和优化，得到了出光效果亮度均匀性较好的透镜。然后使用Dialux进行照明方案的模拟，分析模拟结果进一步验证了之前的优化设计结果。最后针对市场上的LED路灯存在的种种结构问题，设计了全新的模块化LED路灯结构，解决了亮度均匀性、维护不便等诸多问题。最终得到一款模块化等亮度路灯。第四章 防眩光工矿灯的设计与优化4.1引言&&& 工矿灯，最早是为工厂、矿井的正常生产而设计的灯具，现今也被广泛用于体育照明。随着芯片技术的发展，LED以高光效、长寿命等优点逐渐取代传统光源成为新的主力军。传统工矿灯也逐渐被LED工矿灯取代。&&& 在体育场、工厂的灯具布置中，工矿灯按照一定的规则布置在顶部或者四周光照射向比赛场地。其灯具结构如图4-1。己经在全球各个领域普及推广应用。图4-2为部分应用场景。&&&
工矿灯应用推广之后，所存在的问题也逐渐暴露出来，其中高眩光问题尤为突出。传统工矿灯没有防眩光措施，眩光问题严重，对生产生活有很大影响，对人眼可能造成伤害。普通防眩光的LED工矿灯在传统工矿灯加上一个磨砂扩散板或者防眩光透镜，虽然可以一定程度的降低眩光值，但其远远达不到使用要求，同时会带来较大的光能损失。&&& 针对上述问题，为了更好的服务于人们的生产、生活，本章节着手设计了一种防眩光LED工矿灯，通过在工矿灯中加入漏斗形自由曲面反光件，优化工件外表面的形状使灯杯内壁照度均匀，大大降低工矿灯的眩光值。4.2眩光及其评价方法4.2.1眩光&&& 眩光是指由于灯具发光不均匀导致的人眼视觉不舒适，不仅会影响正常作业，轻者使人产生不舒适感，重者会导致失明。&&& 眩光有很多不同划分，根据眩光源分为:直接眩光和反射眩光;按照眼睛不舒适程度分为:不适眩光、失能眩光和目盲眩光。4.2.2防眩光的重要性&&& 眩光对人体的影响主要是人眼对眩光的感觉从而产生视疲劳，其主要评定指标有:千扰源的发光强度、视线与干扰源的夹角、干扰源在是业主的等效亮度等。图4-3所示为人眼与眩光示意图。&&& 眩光对车间生产、体育赛事的顺利进行产生了巨大的影响，甚至会影响到人的生命安全。在这样的背景下，设计防眩光效果好、光能损失小的防眩光工矿灯，己然成为业界的共识。4.2.3眩光的评价方法&&& 经过长期的研究总结，现有的眩光评价方法主要有:统一眩光值UGR、眩光值GR,阂值增量TI和眩光控制等级Go&&& 体育场馆的眩光值采用GR}43-461:式中，Lv1、Lve分别为光源、背景光照对人眼的亮度((cd/m2)。GR与对应的眩光评价级别如表4-1所示:&&& 经过学者研究证明，室内外场地评价方法相同，但其尺度有所区别，如表4-2所示。人眼所能接受的GR值如表4-3所示。4.3普通工矿灯模拟分析&&&
将现有产品参数化后，通过SolidWorks进行建模，灯具结构如图4-4。模拟分析方法与本文第三章所述类似，使用TracePro光学分析可得到追迹结果如图4-5
,图4-6所示，照度图中最小值为3.2183 * 10&#39;&#39;21x，最大值为1195.11x，平均值为44.999 lx总光通量4499.9
lm，光通量/发射光通量为0.99999。&&& 由上述模拟结果分析得到:该灯具的发光角度较小，约为14°，接收面的最大照度为1195 lx。灯具悬挂高度为5m，灯具光通量φ为4500 lm，接收面反射率ρ=0.4，Ω0为一个单位立体角，下面以计算灯具半光强角度的眩光值为例，分析灯具的眩光控制:其中灯具数量为n=1, 8 =140，故故其眩光值GR，由(4-1)~(4-7)式计算可得:&&& 通过计算得到该灯具的GR值为52.8>30(35)，可知其眩光值远大于人眼所能接受的范围，无法满足体育照明的要求，需做出合理的防眩光优化。4.4防眩光工矿灯设计与优化4.4.1设计思路&&& 对普通LED工矿灯眩光高的原因进行分析，其主要原因是LED光源发光强度大且方向性强，人眼直视LED光源时其眩光值必然很大。要使人眼看工矿灯不会有很大的眩光值:一是使人眼无法看到光源，二是增大发光面积。&&&
基于这两点考虑，设计通过在灯杯中加入二次反光体遮挡光源直射光线，使其反射到反光杯内壁上，这样只需要优化自由曲面使内壁上照度均匀，就能达到防眩光的效果。常见的二次反光面形状主要有抛物面、椭球面以及自由曲面等，在照明灯具设计中由于芯片发光的不规则分布导致规则形状的反光面往往难以实现较好的照明效果，而自由曲面以其对光线的精准控制能力明显优于其他形状，自由曲面能够实现对不同光线不同的曲率分布，这一点在下文的视觉分析中也得到进一步验证。&&&
选择自由曲面作为二次反光面的整体设计方案主要包括:工矿灯，包括光源板、灯杯和呈漏斗型的自由曲面遮光体，LED光源呈环形均匀分布在光源板上，自由曲面工件置于灯杯内并遮挡光源直射向灯杯开口的光线，调整自由曲面的形状直至得到最优结果。整体方案如图7(a)所示，工件产品实物如图7(b)所示。本设计也得到专业人士的认可，成功申报1项发明专利，己进入实质性审查。4.4.2优化分析&&&
LED照明灯具的光学设计主要方法有两种:计算法和手调法。其中计算法是以计算机程序语言为基础进行精准的计算，手调法则是在一定模型基础上进行手动调节直至满足需求。手调法相对于计算法速度较快，且基本能够满足所有照明设计需求。计算法主要适用于点光源的一些准直透镜设计上，在面光源的设计上设计结果与实际结果相去甚远。而现今的LED芯片以贴片式面光源为主，因此业界很少使用计算法进行灯具设计。本文采用手调法进行设计。&&& 同理，对所设计产品进行建模和光学分析。经过对自由曲面的形状多次优化后，得到最优结果，追迹结果如图4-8、图4-9所示:&&& 由上述模拟结果分析得到:该灯具的发光角度较小，约为36°，接收面的最大照度为431.86 lx。同理，由公式(4-1)~(4-7)计算其半光强角度的眩光值如下:故其眩光值GR:&&& 通过计算得到该灯具的GR值为24<30(35)，可知其眩光值己经小于体育照明的标准，可以满足体育照明的要求。4.4.3视觉分析&&& 通过上述计算分析有:经过优化的工矿灯，眩光值远远小于优化前的工矿灯。数值上的分析可能无法使人明白其具体的含义，下面将从人眼的视觉角度出发，来分析二者的区别。1)分析优化前的LED工矿灯&&&
此灯LED光源暴露的视野范围之内，人眼可以直接看到LED芯片，由于LED芯片的发光效率极高(已经超过150 lm/W，实验室值已经大于250
lm/W )，而芯片的尺寸又很小，相当于人眼看到一点极亮的点光源，通过计算我们可以得到芯片表面的照度值大于8* 108
lx短时间会使人感到极其刺眼，长时间甚至会使人出现短暂失明等。&&& 人眼除了可以直接看到光源外，还可以看到LED工矿灯的漫反射面(内壁)，为了更加准确的衡量其照度值，通过软件模拟得到其照度分布图如图4-10所示:&&&
从图4-10可以看出，靠近灯杯底部照度值远大于灯杯边缘，其中最大值为:37747 lx，平均值为14450
lx，其照度均匀度为:Eav/Emax=0.383，从其照度均匀度可知照度分布非常的不均匀，人眼看到的也是中心极亮边缘较暗的分布，舒适度很差。&&& 2)分析优化后的LED工矿灯&&& 此时，人眼己经无法直接看到工矿灯的LED芯片，因此芯片的极大照度对人眼无直接影响，人眼可直接看到的是灯杯的内壁，模拟得到优化后的灯杯内壁照度图及其剖面曲线如图4-11所示。&&&
从图4-11可以看出，靠近灯杯底部照度值与灯杯边缘照度值相当，其中最大值为:19355 lx，平均值为15949
lx，其照度均匀度为:Eav/Emax=0.824，优化后的灯杯内壁的照度均匀度己经远大于原灯杯内壁，均匀度达到非常理想的效果。灯杯内壁的平均照度值相比于芯片表面己经大大降低，此时人眼看到的漫反射光相当柔和，即使长时间看也不会有很大影响。&&& 分析其中原因，不难发现通过将LED芯片发光(点光源)转换为灯杯内壁发光(面光源)，加大发光面积的同时提高其照度分布均匀度，使得最后设计出来的工矿灯眩光值低于最低标准值，可以满足各类应用场景。&&& 为了进一步验证自由曲面的优越性，我们还将其与抛物面、双曲面等自由曲面进行优化对比，得到结果如图4-12所示。显然从图中可以看出抛物面、双曲面的设计结果明显比自由曲面设计结果要差很多。4.5本章小结&&&
由于现有的LED工矿灯，大都没有对灯具进行防眩光设计，大量高眩光LED工矿灯替代原有灯具进行使用，导致诸如体育馆、工厂等各种场所使用的LED工矿灯其眩光值远远大于国家标准。通过分析得知人眼直接看到LED芯片是工矿灯眩光大的缘由，对此本文创造性地在工矿灯中间加入漏斗形自由曲面反光件遮挡光源，使原来直射到人眼的光线先反射到灯杯内壁再漫反射到人眼，并优化漏斗形自由曲面反光件的外表面形状，使工矿灯的内壁照度均匀，此时人眼直接看到的内壁照度值远远小于人眼直视光源的照度值。&&&
通过计算对比，优化前的工矿灯眩光值GR=52.8，远大于体育照明的要求，无法直接使用在体育照明中;优化后的工矿灯眩光值GR=24，小于体育照明的标准值，己经能够满足体育照明的需求。通过视觉分析，优化前灯杯内壁的照度均匀度仅为0.383，优化后达到0.824，已经达到了很好的均匀性和视觉舒适性。与现有灯具比较，防眩光优势突出，市场前景广阔。第五章 智能植物生长箱的研究与设计5.1 引言&&&
众所周知，大功率LED照明产业发展到今天，已经相当成熟，市场大有趋于过饱和的状态，许多中小企业所生产的产品囤积，无法销售出去。还有许多厂家大打价格战，导致整个行业的利润严重滑坡，使整个行业亮起了红灯。许多厂家不得已只能转型或者宣告破产，其中某上市企业宣告退市的新闻给整个行业敲起了警钟。&&&
另一方面，现代农业发展到今天，很多问题也逐渐显现。其中以农残问题、水果催熟问题尤为突出，“毒水果”频繁发生。同时，随着城市的发展，对农产品的需求量剧增，对质量和新鲜度的要求也大大提高，城市周边有限的土地日渐无法满足需求，而偏远地区又由于运输的限制无法提供最新鲜的产品，这些无一不对城市的生活质量有很大的阻碍。&&&
因此，一些业内人士开始将目光转向无公害植物生产。现代农业的农业工厂照明的产业需求快速上升，以日本、台湾等为代表的一些地区不断加大产业投入，近几年在植物照明的发展上取得了重大突破，己经开始快速向着产业化发展。中国大陆也开始将植物照明提上了国家发展战略的层面。这些发展一方面可以解决LED产业的发展瓶颈问题，为LED照明行业拓展新应用领域，另一方面可以解决现代农业中存在的诸多问题，进而为保证食品安全做出巨大贡献。&&&
在大功率LED发展还比较不成熟的早几年，植物照明主要使用在一些市场价格相对比较昂贵的农作物上，比如金线莲等，这些作物在人工光照环境下，生长速度大大提高，在市面上的价格较高，因此很快就能够回收所投入的成本。近几年LED芯片技术日趋成熟，商用LED照明系统的价格成本得到了很好的控制。其在农业上的发展开始向着全方位渗透。5.2 LED农业照明产业发展现状与主要应用&&& 从最近几年的发展趋势来看，LED作为照明光源成功地应用于现代农业上对整个产业有着深远的影响。现有的传统农业照明系统也势必会被LED照明系统所取代。主要原因在于LED与传统光源相比较优势鲜明，其主要优势如表5-1所示。&&& 很多国外国家与地区率先将农业照明作为产业的一个发展方向，如美国、日本等。国内厂家也不甘示弱，并有赶超的趋势。这些国家和地区的发展项目众多，其中主要项目如表5-2所示。&&& LED以其经济效益高、节约空间、提高作物生长速度等显著的优势而被各类农业照明所采用。主要如下:&&& 食用菌工厂照明&&&
在我国，食用菌是一种广为民众喜爱的食物，有上千个品种，年总产值上千亿，约占全球产量的七成以上。食用菌在栽培种大量采用集约化生产，虽然对光照强度需求低，但对光照质量要求高。良好的光环境控制对其产量有着巨大的影响，光源的光谱质量以及光环境系统的控制亚需产业化。图5-1所示为某菌类工厂照明。&&& 植物工厂照明&&& 现代城市发展与生活节奏的加快，对实用农作物的新鲜度及需求量剧增，植物工厂以其高生产效率而应用于中药、蔬果等集约化生产中。植物对人工光源的吸收效率是露天的100倍以上，实现快速生长是未来的趋势，市场空缺巨大。图5-2所示为某人工照明植物种植工厂。&&& 畜禽与水产养殖照明&&& 实验表明:加大蓝绿光照明对于家禽的成长速度有显著提高。家禽场:加强光照时间、强度等，减少成长周期。人工水产养殖:为水域灭菌，减少鱼类的死亡率。LED诱虫灯:通过吸引害虫并杀害来达到防虫害的目的，助推无农残化。图5-2所示为某畜禽养殖照明。5.3智能植物生长箱的设计5.3.1智能植物照明的迫切需求&&&
农业照明是指为了满足农作物的生长需求而人工营造的包括光源及其控制系统在内的照明系统，它能够弥补光照及土地的缺乏，使植物能够正常快速生长来满足市场需求。随着市场需求的剧增，农作物生产效率的提高势在必行，如何营造良好的生长环境、设计高效的智能控制系统，成为业界的下一个技术壁垒。&&&
在最近的2016年一月份，中国大部分地区受百年难得一遇的严寒天气的影响，许多农作物都被霜冻、积雪所损害，导致严重减产。一时间全国许多地区菜价飞涨，甚至出现了菜比肉贵、无菜可买等境地。这给行业敲响警钟的同时，也为行业的改革起到一定的促进作用。加快温室栽培技术的研发，加快人工智能植物生产的研发己势在必行。5.3.2植物照明光谱分析&&&
分析农业照明就必须对农作物的生长方式有深入的了解。通过与农业学专家的交流与探讨后，不难发现在大部分农作物中，通过光合作用促进生长的占大多数，而这些植物中叶绿素对光源所发出的不同波长光线吸收效率不同，其中有两个吸收峰分别在蓝光420纳米和红光660纳米附近，其中蓝光促进植物成长，红光促进植物开花结果。图5-4所示为不同波长光谱对农作物的生长影响。&&& 因此，针对不同的作物，在不同的生长阶段，选用不同的光谱不同的强度进行照射显得尤为重要。故下文将着重从光谱的获得入手，进行深入研究。5.3.3植物生长特征光谱的获取&&& 由上文分析我们可以知道，不同波长组成的光谱对植物的生长起着不同的作用，不同的植物在不同的生长阶段，它所需要的照射光谱也不一样。为了能够在现代农业的照明上发挥更大的作用，对于不同植物的生长特征光谱的获取至关重要。&&&
为了能够尽量准确的获取植物的特征光谱，设计特定的植物生长箱如图5-5所示。照明系统中内置有各种波长的LED芯片，并且能够单独控制其功率进而达到对光通量的控制。植物特征光谱获取方法:通过控制不同波长的单色发光LED芯片发光照射植物，使用光度计测量发光强度，同时使用光合作用测试仪测量植物的光合作用速率，得出相应波长光照强度对植物生长的影响。多次测量之后将各种不同波长的光谱响应度结果绘制成该植物的生长特定光谱，图5-6所示为某植物的特征光谱。同时记录用于产生该光谱的各个芯片功率值，用于后期智能控制系统的设计。5.3.4植物照明的光学设计&&& 由本文的前几个章节的分析中，不难发现LED芯片的发光特性决定了其无法直接作为照明装置使用，需进行二次光学设计使之满足一定的照度分布，方能最大化照明效果和光能利用率。同理，在植物照明中也需要对其进行二次设计。&&&
在植物生长箱中植物均匀分布，这就要求对应的照明装置所发出来的光线需要均匀照射在职务上。进一步分析生长箱的结构特点，不难发现其主要照明装置均分布于顶部，要实现均匀出光，只需对其进行类似面板灯的光学设计即可。具体的设计方法与前文所提到的方法相同，其整体相对比较容易，故本章节不做赘述。&&& 除了照明装置的设计外，其整体结构的设计也显得尤为重要，下文将对其进行详细分析。5.3.5智能植物生长箱的设计&&& 分析目前市场上己经存在的植物生长装置，可以发现其中存在着诸多问题，主要有:1、生长箱的光源都是直接使用LED光源或者OLED光源照明装置，这就导致了这些植物生长装置无法针对不同的植物提供不同的生长光谱，从而使得光源能量浪费严重;2、市面上的生长箱为了增加卖点，有些内置了温度、湿度等一些信号采集装置，但无法及时的根据植物生长的需求做出补给，从而无法使植物以最快的速度生长;3、这些植物生长箱对于植物的生长阶段的判断还是主要停留在人眼识别阶段，无法批量实时的处理相关信息，不利于规模化的植物工厂生产;4、这些生长箱都是单一装置，无法对其进行扩展，不利于规模化的植物工厂生产。&&&
针对上述问题，本文设计了一种全新的智能植物生长箱，其整体结构如图5-7所示。该植物生长箱包含有主箱体和温度、湿度、空气等各类监测传感器及其相应的控制端，除此之外还有:1带有照明系统的顶板、2监控摄像头、3滑动支架、4四根连接杆、5和6底板以及四面玻璃箱壁。&&&
首先，针对不同植物，在其不同的生长周期里加以不同的生长光谱照射，最大化其生长速度(其中，不同植物、不同生长周期的生长光谱通过事先大量的数据采集分析得到，预置于软件终端数据库中)。通过内置不同颜色的单色光源(如LED或OLED等)，并且对光源进行二次配光，使整个生长环境内照度均匀，保持整体长势的一致性(其中，不同单色光源在不同的电流下发出不同的功率强度，所形成的整体光谱分布通过大量的实验测得，不同方案形成不同光谱分布，均预置于软件终端)。通过电流控制模块，实现对单个光源或整体的辐射功率调整，使光照度达到最符合植物生长的强度，有利于植物生长或保护，以此来解决现有技术直接使用白光照明所带来的能量浪费问题。&&& 其次，通过安装己经适配设计过的监控镜头，镜头连接计算机等图像采集装置、软件终端(不同植物、不同生长周期的生长图片数据通过事先大量的数据采集分析得到，写入软件系统数据库)。其控制方式原理如图5-8所示。&&&
通过这种方式可实现植物生长的实时监控，考虑到植物生长周期一般较长，因此只在一定时间间隔对植物的长势进行图像数据采集，通过软件终端对数据进行分析，得到植物的生长周期，同时终端驱动电流控制模块，使之形成相应周期的生长光谱所对应的电流，这样便能确保实时光谱最优化。同时，对于不同时间所采集到的图像数据进行自我对比，判断植物的生长速度，若植物长速过慢则加强光源的辐射功率加快其长速;若生长过快则通过降低光源的辐射功率来减缓其长速。软件终端对植物的长势进行判断，同时根据生长箱内部的补给余量，判断其是否充足或过剩，若过剩则适当抽掉其中的营养液，若不足则补充营养液，确保植物处于正常的生长态势。温度、湿度、C02含量等的控制同理，实现对植物生长的实时监控并作出最佳补给。&&&
最后，通过合理的结构设计，本方案实现了可叠层扩展、横向扩展等功能，大大提高了规模化生产的效率、降低了生产成本。箱体四面采用单向透视玻璃，箱体内部光线无法外射，减少光污染;外部可以看到内部植物生长，不影响对植物的实地观察检测，来实现该生长箱的规模化生产。&&& 本设计也得到专业人士的认可，成功申报2项相关专利，其中1项实用新型专利己获得授权，1项发明专利己进入实质性审查。5.4本章小结&&&
本章首先分析了LED照明产业的发展现状及其瓶颈期，讨论了现代农业发展的一些问题，分析两者相结合发展农业照明的可能性。然后研究分析农业照明的发展现状，以及国内外不同地区对大功率LED农业照明产业化的支持政策。分析农业照明的主要应用情况。最后针对植物工厂照明存在的一些问题，设计了一种智能植物生长箱，解决了现有产品诸多问题的同时给市场带来一种新的产品形态。第六章 总结与展望6.1 总结&&&
本文首先大量阅读国内外有关大功率LED照明系统及其应用新进展的文献资料，对情景照明的概念，对现有大功率LED照明系统存在的一些问题及其解决思路做了讨论和分析。然后简单的介绍大功率LED照明系统最新应用做。接着将情景照明的相关概念与实际设计相结合实现了灯具配光曲线的动态调整。最后通过室内乒乓球馆的照明设计，进一步证明了该方法的可行性和实际效益。&&& 本文通过理论推导计算出LED路灯透镜的初始结构。应用使用光学CAD软件进行建模优化，得到了出光效果亮度均匀性较好的透镜，并将其用于道路照明方案设计中进一步验证设计结果的合理性。同时，设计了一款模块化LED路灯结构，解决了现有路灯诸多问题。&&&
本文针对现有的体育照明工矿灯存在高眩光的问题，通过设计优化，将眩光值由GR=52.8，降低到优化后的工矿灯眩光值GR=24，满足体育照明的需求。通过视觉分析得到优化前灯杯内壁的照度均匀度仅为0.383，优化后灯杯内壁照度均匀度达到0.824，己经达到了很好的均匀度和人眼舒适度。与现有灯具比较，防眩光优势突出，市场前景广阔。&&&
本文分析了LED照明产业的发展现状与其发展瓶颈，以及现代农业发展的一些问题，分析两者相结合可以发展现代农业照明的可能性。讨论分析农业照明的发展现状主要应用情况，以及国内外不同地区对大功率LED农业照明产业化的支持政策。针对植物工厂照明存在的一些问题，设计了一种智能植物生长箱，解决了现有产品的诸多问题的同时，给市场带来一种新的产品形态。&&& 论文的创新性体现在:&&&
1、首次将情景照明相关概念应用于大功率LED照明系统的设计中，使设计更具有针对性，完成的产品对于应用情景的匹配度大大增加，照明效果也得到了很大的改善。针对现有的LED道路照明灯具设计中存在的一些理念问题做出阐释，并且结合光学、编程软件设计出一款等亮度照明LED路灯，达到了很好的均匀性。同时针对现有路灯的结构缺陷以及存在的问题做出解决方案，设计了一款路灯结构，提高生产效率的同时解决维护问题以及消除安全隐患。&&& 2、针对现有的体育照明系统中存在的高眩光问题，对工矿灯进行改进，使得其眩光值大大降低，能够满足体育照明。同时从人眼的视觉角度分析该产品所带来的视觉优化效果。&&& 3、针对LED行业的整体发展现状与趋势，分析农业应用的可能性及其解决思路。同时设计一款智能植物生长箱，解决现有生长箱的诸多问题，为农业照明的产业化拓宽思路。6.2 后期工作与展望&&& 后续将继续开展的工作如下:&&&
1、针对第三章所设计的大功率LED道路照明灯具，可以引入智能照明相关思路，针对不同的道路实行无人化管理，同时对路灯的灯光调节、不同天气所需要的不同照度调节等作出相应的设计优化;也可以将智能道路照明与智能交通监控相结合，构建安全和谐的道路行车、人员安全环境。&&& 2、针对第五章所设计的智能植物生长箱，目前仍然只处于实验室阶段，后期应将其投入实际生产中来发现该设计所存在的不足，做出改善使之能够满足市场需求，达到真正的产业化阶段。&&& 3、针对照明行业发展的瓶颈阶段，拓宽大功率LED照明系统的最新应用，将其应用于通信系统中，使整个行业的发展方向能够更全面。
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