畢業(yè)設(shè)計----led路燈照明系統(tǒng)散熱設(shè)計及模擬仿真

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1.緒論1</b></p><p>　　1.1綠色光源LED的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2論文主要研究的內(nèi)容3</p><p>　　2.國家“十城萬盞”LED半導(dǎo)體照明工程實施進展情況4</p>

2、<p>　　3.光的照明基礎(chǔ)知識6</p><p>　　3.1光度學(xué)基礎(chǔ)知識6</p><p>　　3.1.1光的基本概念和理論6</p><p>　　3.1.2光的傳播特性7</p><p>　　3.1.3光的基本度量9</p><p>　　3.2色度學(xué)基礎(chǔ)知識11</p>&

3、lt;p>　　3.2.1顏色11</p><p>　　3.2.2與顏色有關(guān)的照明參量13</p><p>　　4. LED在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用15</p><p>　　4.1 LED汽車照明15</p><p>　　4.2 LED道理隧道照明17</p><p>　　4.3 LED在其它方面的應(yīng)用20&

4、lt;/p><p>　　5. LED的發(fā)光原理及主要參數(shù)、特性22</p><p>　　5.1 LED的發(fā)光原理及結(jié)構(gòu)22</p><p>　　5.2 LED主要參數(shù)及特性24</p><p>　　5.2.1 LED的電學(xué)特性24</p><p>　　5.2.2 LED的光學(xué)特性25</p><

5、;p>　　5.2.3 LED的熱學(xué)特性25</p><p>　　6.大功率LED燈散熱設(shè)計27</p><p>　　6.1 LED散熱的必要性27</p><p>　　6.2 LED的散熱技術(shù)27</p><p>　　7. LED路燈設(shè)計29</p><p>　　7.1《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》29&l

6、t;/p><p>　　7.2設(shè)計目標(biāo)為校園路燈30</p><p>　　7.3計算所需要LED的個數(shù)30</p><p>　　7.4路燈燈頭設(shè)計32</p><p>　　7.5 LED路燈的散熱33</p><p>　　8. LED路燈散熱設(shè)計（軟件仿真）34</p><p>　　8.1

7、IcePak軟件介紹34</p><p>　　8.2用Icepak進行熱仿真及分析34</p><p>　　8.2.1建模34</p><p>　　8.2.1對模型進行熱分析35</p><p>　　9.校園LED路燈應(yīng)用41</p><p><b>　　結(jié)論43</b></p&

8、gt;<p><b>　　致謝44</b></p><p><b>　　參考文獻45</b></p><p><b>　　1. 緒論</b></p><p>　　1.1 綠色光源LED的現(xiàn)狀</p><p>　　當(dāng)前全球能源短缺的憂慮再度升高的背景

9、下，節(jié)約能源是我們未來面臨的重要的問題，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，必然是未來發(fā)展的趨勢，二十一世紀(jì)將進入以LED為代表的新型照明光源時代。</p><p>　　隨著低碳經(jīng)濟的全面推動，綠色照明備受各國政府的重視。低碳經(jīng)濟就是以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟模式，其實質(zhì)是能源效率和清潔能源結(jié)構(gòu)問題，核心是能源技術(shù)創(chuàng)新和制度創(chuàng)新，目標(biāo)是減緩氣候變化和促進

10、人類的可持續(xù)發(fā)展。根據(jù)美國能源信息局的報告，發(fā)電（大部分為照明應(yīng)用提供電源）制造了37的溫室氣體。在我國，照明用電的電消耗約2000億千瓦時，占年發(fā)電量的12%左右。實行綠色照明將減少用電量，從而降低碳排放。所以，實現(xiàn)綠色照明符合低碳經(jīng)濟的發(fā)展。</p><p>　　LED是發(fā)光二極管的簡稱，具有節(jié)能、環(huán)保、耗電量少、壽命長、色彩豐富、耐震動、可控性強等特點，發(fā)光效率高且達到同樣照明效果的功率低。在同等照明亮度的

11、狀況下，LED燈比普通燈平均節(jié)電40％~50％。為了在照明領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)低碳經(jīng)濟，各國政府都提出和實施綠色照明工程。美國、日本、歐盟等國家和地區(qū)紛紛制定政策扶持LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。</p><p>　　我國政府從1996年開始組織實施綠色照明工程，并將其列入“九五”、“十五”節(jié)能重點領(lǐng)域和“十一五”十大重點節(jié)能工程。2009年10月，又發(fā)布了《半導(dǎo)體照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展意見》，旨在推動我國半導(dǎo)體照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，

12、培育新的經(jīng)濟增長點及促進節(jié)能減排，提出將開發(fā)和推廣替代白熾燈、鹵鎢燈等節(jié)能效果顯著、性價比高的半導(dǎo)體照明定型產(chǎn)品；開發(fā)和推廣停車場、隧道、道路等性能要求高、照明時間長的功能性半導(dǎo)體照明定型產(chǎn)品；發(fā)展中大尺寸液晶顯示背光源、汽車照明等增長潛力大的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品；發(fā)展醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等特殊用途的半導(dǎo)體照明產(chǎn)品。許多城市已經(jīng)利用LED光源照明技術(shù)在城市燈光環(huán)境建設(shè)中,產(chǎn)生了良好的效果,像護欄照明、廣場照明、庭院照明、投光照明、水下照明等系列。由于L

13、ED光源的顯著優(yōu)點和白光LED技術(shù)的日臻成熟,LED光源城市道路照明系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景。對節(jié)省建設(shè)資金,緩減用電矛盾,構(gòu)建節(jié)約型社會具有重大意義。 </p><p>　　LED燈具性能上的優(yōu)勢：</p><p>　?。?）節(jié)能，安全性高:LED光源如果設(shè)計合理,很大程度上可以直接解決傳統(tǒng)球狀光源必須依靠光發(fā)射來解決的二次取光及光損耗問題。所以燈具反射損失低,燈具整體光效高,如果采用PW

14、M數(shù)字調(diào)光系統(tǒng),更省電;目前白光LED的發(fā)光效率約為80 lm/W,較傳統(tǒng)高壓鈉燈可以節(jié)電50%~60%。如果和太陽能系統(tǒng)直接配套,無需額外的逆變、轉(zhuǎn)換過程,能達到最大的能源利用率。</p><p>　?。?）低維護成本,安裝維護簡便:如果燈具整體設(shè)計合理,大功率LED光源理論上可以正常使用10年不用更換,而傳統(tǒng)高壓鈉燈平均1年半就要更換一次,所以可以大大降低維護成本。同時采用LED路燈除了在單燈成本及最初安裝的

15、造價比高壓鈉燈高外,在鋪設(shè)成本、耗電成本及壽命方面均大大優(yōu)于高壓鈉燈。由于驅(qū)動電流小、電纜、變壓器和工程費用也相應(yīng)的減少。</p><p>　?。?）顯色性佳,配光容易:LED的顯色指數(shù)高(75~90),基本上接近自然光。光色可以人為控制,可以通過配光滿足不同照明領(lǐng)域的需求。對光照射區(qū)域的光色均勻度可控,能夠避免傳統(tǒng)光源單調(diào)色的現(xiàn)象。</p><p>　　（4）環(huán)保,便于管理:LED光源無

16、輻射,更不會造成光污染;使用壽命長,不需要經(jīng)常進行更換,管理維護方便。</p><p>　　現(xiàn)階段LED燈具性能上的缺陷：</p><p>　?。?）發(fā)光效率較低,亮度不足,燈具的成本高:目前雖然試驗室水平大功率白光LED的發(fā)光效率已經(jīng)超過了100 lm/W,但量產(chǎn)的、性價比高的大功率白光LED發(fā)光效率還在80 lm/W左右,在燈具設(shè)計中如果要提高整體的燈具亮度指標(biāo),勢必要增加LED的數(shù)量

17、,從而增加燈具的成本。</p><p>　　（2）地面對LED光的反射率低:由于目前白光LED光譜特征,路面及周邊物體對其反射率低,特別是瀝青路面,雖然地面的照度指標(biāo)能達到要求,但路面的亮度較低,與鈉燈的黃光相比,這是它的一個弱點。輸出功率及光通量的提高要從大功率白光LED的外延技術(shù)、芯片工藝等基礎(chǔ)層次進一步提升。</p><p>　?。?）當(dāng)前技術(shù)下LED的光通量還不夠大,光效太低,色溫

18、不易控制,造成燈具的整體品質(zhì)難以保證;燈具的穩(wěn)定性,可靠性難以保證;有效光的照明角度偏小、分布不均勻,光學(xué)、散熱設(shè)計復(fù)雜。</p><p>　　總之，LED是一種固態(tài)冷光源，是繼白熾燈、熒光燈、和高強度放電（HID）燈（如高壓鈉燈和金鹵燈）之后的第四代新光源。半導(dǎo)體照明（也稱固態(tài)照明）既是一種基于LED新型光源的固態(tài)照明，具體的講，是一種基于白光LED的固態(tài)照明，是一種典型的節(jié)能、環(huán)保綠色照明。LED被公認(rèn)為是2

19、1世紀(jì)最具發(fā)展前景的高新技術(shù)領(lǐng)域之一，由于其蘊藏著巨大的商機，正成為群雄逐鹿的新戰(zhàn)場。</p><p>　　1.2 論文主要研究的內(nèi)容</p><p>　　由于LED具有高效、節(jié)能及壽命長的優(yōu)點，符合現(xiàn)在所提倡的節(jié)能減排、綠色低碳型經(jīng)濟，所以研究設(shè)計LED路燈是有實際意義的。</p><p>　　本文先是介紹了國家“十城萬盞”LED半導(dǎo)體照明工程及其施工進展情

20、況，說明了國家對LED照明發(fā)展的重視；然后，介紹了照明中所用到的光度學(xué)和色度學(xué)的基礎(chǔ)知識，要設(shè)計出合理的路燈，這些基礎(chǔ)知識是必須要掌握的，其中光的基本度量，是評價LED照明效果的重要參數(shù)；接著，講述了目前LED在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用，在汽車、道路照明等領(lǐng)域的應(yīng)用中，LED有非常明顯的優(yōu)勢及很好的前景；然后描述了LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理，對LED的3大特性進行了分析、研究。</p><p>　　前面幾章是研究和介紹LED

21、的基礎(chǔ)知識和特性，后面3章是設(shè)計LED路燈及散熱分析，只有掌握了基礎(chǔ)知識，才能設(shè)計出合格的路燈。</p><p>　　對校園LED路燈的設(shè)計、路燈的散熱分析及仿真是本論文的重點。本文的路燈設(shè)計是針對我校路燈的實際情況來設(shè)計的，根據(jù)學(xué)校路目前路燈覆蓋率、照明效果及路面情況來選取的基本參數(shù)，從而設(shè)計出符合校園要求的LED路燈，和現(xiàn)在的高壓鈉燈相比，LED路燈更省電，照明效果更好；對路燈的散熱，是用軟件IcePak進行

22、模擬仿真，從整體到局部進行熱分析，最后分析結(jié)果說明所設(shè)計的路燈散熱效果良好。</p><p>　　2. 國家“十城萬盞”LED半導(dǎo)體照明工程實施進展情況</p><p>　　“十城萬盞”半導(dǎo)體照明應(yīng)用工程,是一項由科技部提出的計劃,應(yīng)用工程的總體目標(biāo)是：到2010年,在10～21個城市推廣40萬盞以上半導(dǎo)體市政照明 燈具 ,實現(xiàn)年節(jié)電6000萬千瓦時,累計節(jié)電1億千瓦時以上,半導(dǎo)體市

23、政照明燈具產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到80億元,帶動半導(dǎo)體照明相關(guān)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值超過1000億元。對于工程試點城市,國家將在政策和資金上予以支持。</p><p>　　2009年注定是中國LED年,4月份國家科技部推出十城萬盞計劃。7月24日,國家發(fā)改委與聯(lián)合國開發(fā)計劃署(UNDP)、全球環(huán)境基金(GEF)合作的中國逐步淘汰白熾燈、加快推廣節(jié)能燈項目簽字儀式在北京舉行。聯(lián)合國秘書長潘基文、國家發(fā)改委副主任解振華、中國常駐聯(lián)合國代表張業(yè)

24、遂、財政部副部長李勇、聯(lián)合國開發(fā)計劃署(UNDP)中國首席代表馬和勵出席了簽字儀式。這標(biāo)志著中國綠色照明國際合作進入新的階段。      其實,國家財政部早在2008年,開始實行的《高效照明產(chǎn)品推廣財政補貼資金管理暫行辦法》已把LED半導(dǎo)體照明產(chǎn)品列入補貼范圍,隨之相應(yīng)配套的稅費等政策相繼出臺。這是對一個產(chǎn)業(yè)空前的支持。由2008年北京奧運LED的應(yīng)用持續(xù)發(fā)燒,加上2010年上海世界博

25、覽會、廣州亞洲運動會和2011年深圳世界大學(xué)運動會即將陸續(xù)登場,所帶動的大型LED廣告牌、建筑景觀照明等應(yīng)用商機,也是2012年LED產(chǎn)業(yè)值得關(guān)注的熱點。       政府的支持,國家節(jié)能減排政策的帶動將是持續(xù)發(fā)展的動力。LED道路照明市場部分,除了國際展覽、賽事的推波助瀾外,各國政府大型采購和LED路燈示范計劃的實施,以及LED路燈照</p><

26、;p>　　一些有基礎(chǔ)的城市在很短的時間內(nèi)就編制了推廣計劃,如天津市計劃推廣50萬盞,揚州市計劃5萬盞,保定市計劃3.8萬盞,成都市計劃1.5萬盞,僅這四個城市計劃的LED照明燈具就高達63萬盞。21個城市按1萬盞計算,自身就需要安裝路燈、隧道燈21萬盞,如果這21萬盞一半是新安裝(含燈桿),一半是更換(不含燈桿),平均以5000元1盞計算,就需資金10.5億元人民幣。     &

27、#160; 實際需求遠遠超過這個數(shù)字,2009年中國大陸將需要140萬盞,全球需240萬盞,未來市場潛力之大可見一斑。甚至有人大膽預(yù)言;到2013年以后中國的LED產(chǎn)值將達到1000億美元以上,咱們暫且不論數(shù)字的多少,只是這個產(chǎn)業(yè),只要是能夠突破核心技術(shù)高端芯片研發(fā)瓶頸,我們的節(jié)能減排及建設(shè)綠色城市的目標(biāo)是能夠?qū)崿F(xiàn)的。        LED是半導(dǎo)

28、體照明的簡稱。它是以半導(dǎo)體芯片為材料的固態(tài)光源,依靠電子空穴復(fù)合發(fā)光,將電能轉(zhuǎn)換成光能的效率高達80%以上。在奧運場館建中LED技術(shù)作為自主創(chuàng)新的代表被廣泛使用。      據(jù)了解LED的耗能僅為白熾燈的10%,熒光燈的30%;它采用固體封裝,使用壽命可達5萬小時,是白熾燈的100倍</p><p>　　3. 光的照明基礎(chǔ)知識</p>

29、<p>　　3.1 光度學(xué)基礎(chǔ)知識</p><p>　　3.1.1 光的基本概念和理論</p><p>　　從物理學(xué)上說，光是一種電磁輻射。在整個電磁輻射波譜中，光波只占據(jù)很小的一部分（見圖3-1）。光波的波長區(qū)間在380納米與780納米（nm，1nm= ）之間。人眼所能看見的光稱為可見光。</p><p><b>　　圖3-1 電磁波

30、譜</b></p><p>　　在可見光中，波長最短的是紫光，稍長的是藍光，以后的順序是青光、綠光、黃光、橙光和紅光，其中紅光波長最長。</p><p>　　波長比可見光長的光學(xué)輻射稱為紅外輻射。波長范圍在780nm~1nm的紅外輻射通常被細分為：</p><p>　　近紅外 IR-A，λ=780~1400nm；</p><p>

31、　　中紅外 IR-B，λ=1.4~3μm; </p><p>　　遠紅外 IR-C，λ=3μm~1mm。</p><p>　　波長比可見光短的光學(xué)輻射稱為紫外輻射。波長范圍在100~400nm的紫外輻射通常被細分為:</p><p>　　近紫外 UV-A，λ=315~400nm；</p><p>　　中紫外 UV-B，λ=280~315nm;

32、 </p><p>　　遠紫外 UV-C，λ=100μm~280nm。</p><p>　　LED也分為可見光LED（λ=450~780nm）和不可見光LED（λ=850~1550nm）兩種。其中，不可見光LED又分紅外線LED（λ=850~950nm）和光通信LED/LD（λ=1300~1550nm）。半導(dǎo)體LED之所以能發(fā)出不同的光色，是因為他們的光色各異。例如使用AIInGaP材料制

33、得的LED波長可為590nm、611nm、625nm,所以可以發(fā)出黃光、橙光和紅光。</p><p>　　3.1.2 光的傳播特性</p><p>　　當(dāng)光線在同一種介質(zhì)中傳播時，總是沿直線方向進行。當(dāng)媒質(zhì)發(fā)生改變時，光線或被反射，或被透射，或被吸收。同時還有光的色散、干涉、衍射和偏振現(xiàn)象。</p><p><b>　?。?）光的反射</b>&

34、lt;/p><p>　　當(dāng)光線遇到不透明的物體表面時，大部分光背反射，小部分被吸收。光線在鏡面和擴散面上的反射有以下幾種類型。</p><p><b>　?、僖?guī)則反射</b></p><p>　　在光滑界面上所產(chǎn)生的光的反射稱為規(guī)則反射，又稱鏡面反射，如圖3-2所示。光的入射光線、反射光線和過入射點的界面發(fā)線都位于同一個平面上，并且入射角等于反射角

35、，反射光線和入射光線分別位于發(fā)線的兩側(cè)，這就是光的反射定律。</p><p><b>　?、谏⒎瓷?lt;/b></p><p>　　當(dāng)光線從某方向入射到經(jīng)散射處理的鋁板、經(jīng)涂刷處理的金屬板或毛面白漆涂層時，反射光向各個不同的方向散開，但其總方向是一致的，如圖3-3所示，其光束的軸線方向仍遵守反射定律，這種光的反射稱為散反射。</p><p><

36、;b>　?、勐瓷?lt;/b></p><p>　　光線從某方向入射到粗糙表面或涂有無光澤鍍層的表層時，光線被分散在許多方向，在宏觀上不存在規(guī)則反射，這種光的反射稱為漫反射。當(dāng)反射遵守朗伯（Lamber）余弦定律時，即任意方向的光強 與該反射面的法線方向的光強 所成的角度θ</p><p>　　的余弦成比例（ ），而與光的入射方向無光，從反射面的各個方向看去，光的亮度均相同，

37、這種光的反射稱為各向同性漫反射，如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-2 規(guī)則反射 圖3-3 散反射 圖3-4 各向同性漫反射</p><p><b>　?、芑旌戏瓷?lt;/b></p><p>　　光線從某方向入射到瓷釉或帶高度光澤的漆層上時，規(guī)則反射和漫反射皆存在，這種現(xiàn)象稱為混合反射。在定

38、向反射方向上的放光強度比其他方向上的要大得多，而且有最大亮度。其他方向上也有一定數(shù)量的反射光，而其亮度分布實不均勻的。</p><p>　　（2）光的折射、全反射與透射</p><p><b>　?、僬凵?lt;/b></p><p>　　光從第一種介質(zhì)進入第二種介質(zhì)時，若傾斜入射，這在入射面上有反射光，而進入第二種介質(zhì)時有折射光，如圖3-5所示。&

39、lt;/p><p><b>　　②全反射</b></p><p>　　當(dāng)光線從高折射率的媒介（光密物質(zhì)）射向敵折射率的媒質(zhì)（光疏物質(zhì)）時，入射角小于折射角。當(dāng)入射角未達到 時，折射角已達 。繼續(xù)增大入射角，則光線全部返回到光密物質(zhì)內(nèi)，不再有折射光，這種現(xiàn)象稱為全反射。光不再從光密物質(zhì)進入光疏物質(zhì)是的入射角稱為臨界入射角（A）。</p><p>&l

40、t;b>　　③透射</b></p><p>　　光入射到透明或半透明的材料表面時，一部分被反射，一部分被吸收，大部分的光可以透射過去。</p><p><b>　?。?）光的吸收</b></p><p>　　材料對光的吸收式光能轉(zhuǎn)換為能量的其他形式時引起的。當(dāng)一定波長的平行光束穿過均勻媒質(zhì)時，光強的損失隨距離（x）和波長有關(guān)的

41、線吸收率（α）呈指數(shù)式衰減[即 ,其中 為光束的初始光強]。有些材料在可見范圍內(nèi)對不同波長的光有不同的吸收率α，當(dāng)光線通過這些材料時，其光譜分布會有所改變，因此這種材料科用來制造濾色片。</p><p>　　3.1.3 光的基本度量</p><p><b>　?。?）光通量Φ</b></p><p>　　光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光量稱為光源的光通

42、量，以Φ表示，單位為流明(lm)。它是根據(jù)對標(biāo)準(zhǔn)觀察者的作用導(dǎo)出的光度量。</p><p>　　對于明視覺，若輻射體的光譜輻射通量為Φe（λ），其光通量Φ的表達式為：</p><p>　　Φ = Km V（λ）dt （3-1）</p><p>　　式中：dΦe（λ）/dλ為輻射通量的光譜分布；V（λ）為光譜光（視）效率；Km為輻射的光譜光（視）效能的最

43、大值（lm· ），在單色輻射時，明視覺條件下的Km值為6831· （當(dāng)λm=555nm時）；Φ為光通量（lm，1lm=1cd·1sr）。</p><p><b>　　（2）放光強度I</b></p><p>　　光源在給定方向的單位立體角中發(fā)射的光通量定義為光源在該方向上的光強度（簡稱光強），以I表示。</p><p&

44、gt;　　若在某微小立體角d 內(nèi)的微小光通量為dΦ（ ），則該方向上的光強為</p><p><b>　　I= （3-2）</b></p><p>　　單位為坎德拉（cd），1cd=1lm·1。</p><p>　　坎德拉是國際單位制和我國法定單位制的基本單位之一，其他光度量單位都是由坎德拉導(dǎo)出的。1979年10月，第16屆國際計量

45、大會通過的坎德拉重新定義為：一個光源發(fā)出頻率為540 Hz的單色輻射（對應(yīng)于空氣中的波長為555M的單色輻射），若在一定方向上的輻射強度為1/683W·，則光源在改方向上的發(fā)光強度為1cd。</p><p><b>　?。?）光照度E</b></p><p>　　在被照物體表面上，單位面積內(nèi)所接受的光通量稱為光照度（簡稱照度）。光照度是表征表面被照明程度的量

46、，以E表示，單位為勒克斯（lx），1lx=1lm·m-2。如微小面積dS上受到的光通量為dΦ，則E為</p><p>　　E= （3-3）</p><p>　　照度的單位除了lx外，在北美地區(qū)還使用英尺燭光（fc），1fc=10.76lx。在工程上還曾經(jīng)用過輻透（ph）、豪輻透（mph）等。各種照度單位的換算關(guān)系列于表1-1中，拱參考。</p><p>

47、;　　表1-1各種照度單位換算表</p><p>　　lx的照度是比較小的，在此照度下只能大致地辨認(rèn)周圍物體。通常，滿月夜晚的地面照度約為0.2lx，白天采光良好的室內(nèi)照度為100~500lx，晴朗的室外太陽非直射下的地面照度為103~104lx，而中午太陽直射下的地面照度可達105lx。</p><p>　　在照明質(zhì)量的量化標(biāo)準(zhǔn)中，一般推薦辦公室的平均水平照度為500~1000lx；在商

48、業(yè)照明中，推薦的垂直照度平均值為300~500lx。</p><p><b>　　（4）光的射度M</b></p><p>　　對于有一定表面積的發(fā)光體，在不同位置上的發(fā)光程度可能不同，因此需要用光出射度來表征。光出射度是指單位面積發(fā)出的光通量，以M表示，單位為lm·m-2。若在發(fā)光體表面上任取的微小單元面積是dA，發(fā)出的光通量為dΦ，M則為：</p&

49、gt;<p>　　M= （3-4）</p><p>　　光出射度主要針對面光源而言。這里所說的面光源還包含不發(fā)光的表面受到光照后形成的二次發(fā)光面，其出射度為：</p><p>　　發(fā)射發(fā)光 M= </p><p>　　透射發(fā)光 M= </p><p>　　式中： 為被照面的反射系數(shù)（反射比）， 為被照面的透射系數(shù)（透

50、射比），E為被照射的二次發(fā)光面的照度。</p><p>　　照度和光出射度有類似的定義和相同的量綱，其區(qū)別在于照度表示受照面所接收到的光通量密度，而光出射度表示發(fā)光面所發(fā)出的光通量的表面密度。</p><p><b>　　（5）亮度L</b></p><p>　　光源在某一方向的光亮度（簡稱亮度）L（ ）是光源在該方向上的單位投影面在單位立體角

51、中發(fā)射的光通量。如在微小的面積dA和微小的立體角 內(nèi)的光通量 dΦ（ ），則亮度為：</p><p>　　= （3-5）</p><p>　　式中， 為通過給定點的輻射束元傳輸?shù)牟o定方向立體角 內(nèi)傳播的光通量；dA為包括給定點的輻射束截面積； 為輻射束截面積與輻射束方向的夾角。該量的符號為L，單位為坎德拉每平方米（cd·m-2=

52、lm·m-2·sr-1）。</p><p>　　（6）發(fā)光效率（光效） </p><p>　　發(fā)光效率（光效）是指一個光源所發(fā)出的光通量Φ與光源消耗的電功率P1之比。由于光源的電功率并不全部變成可見光，其中有相當(dāng)一部分變成其他形式的能量。故 光效 為：</p><p>　　= = （3-6）</p

53、><p>　　式中： 的單位是lm· ，即每瓦電力所發(fā)出的光的量，其數(shù)值越高表示光源的效率越高。在選擇光源時，效率是一個重要的考慮因素。目前商用白光LED的光效尚未達到熒光燈的水平，但早已超過白熾燈和鹵鎢燈。</p><p>　　3.2 色度學(xué)基礎(chǔ)知識</p><p>　　各種光源發(fā)出的光，由于光譜功率分布的差異與世間萬物光譜反射率或透射率的不同，在日光

54、下的3下呈現(xiàn)出五彩繽紛的各種不同的顏色。</p><p><b>　　3.2.1 顏色</b></p><p><b>　?。?）顏色的特性</b></p><p><b>　?、贌o彩色和彩色</b></p><p>　　顏色可以分為無彩色和彩色。</p><

55、;p>　　無彩色是指白色、黑色和各種深淺不同的灰色，把他們排列成一個系列即成為黑白系列，如圖3-5所示。純白是反射比 等于1的理想的完全反射體，而純黑e等于0的無反射的物體，它們在自然界中并不存在。接近純白的有氧化鎂，接近純黑的有黑絨。黑白系列代表物體反射比的變化，在視覺上的表現(xiàn)為明度的變化。由于白色、黑色及灰色物體對光譜各波段光的反射是沒有選擇性的，故被稱為中性色。</p><p>　　彩色在知覺意義上是

56、指有色調(diào)的知覺色，也就是黑白系列以外的各種顏色。彩色有3個特性，即色調(diào)、明度和彩度。</p><p>　　色調(diào)：亦稱色相，表示不同波長的可見光在視覺上的屬性，如紅、黃、藍等。光源的色調(diào)決定于輻射光譜組成對人眼所產(chǎn)生的感覺，而物體的色調(diào)決定于物體對光源的光譜輻射有選擇的反射或透射對人眼所產(chǎn)生的感覺。</p><p>　　明度：在同樣的照度條件下、依據(jù)表現(xiàn)為白色或高透射比的表面的視亮度來判斷某

57、一表面的的視亮度。</p><p>　　彩度：在同樣的照明條件下，一個區(qū)域根據(jù)表現(xiàn)為白色或高透射比的區(qū)域的視亮度比例來判斷的顏色的豐富程度。彩度也稱為飽和度，表示彩色光在整個色覺（包括無彩色）中的純潔度?？梢姽庾V中的各種單色光是純潔的，是最飽和的色彩，通常稱為光譜色。</p><p>　　無彩色的黑白系列只有明度的區(qū)別，而沒有色調(diào)和彩度的特性。例如，越接近白色，明度越高；越接近黑色，明度越

58、低。因此，對于黑白系列，只有根據(jù)明度的差別來辨認(rèn)物體；而對于彩色，可以從明度、色調(diào)和彩度上來辨認(rèn)物體，從而大大提高人們識別物體的能力。</p><p><b>　　②顏色混合定律</b></p><p>　　引起顏色刺激的不一定是單色光，而往往是復(fù)合光，既是各種波長輻射的總和。人們的視覺器官降不同波長的光線綜合成一種顏色的感覺。這種綜合過程符合格拉斯曼顏色混合定律。該

59、顏色定律的主要內(nèi)容如下：</p><p>　　a.人的視覺只能分辨顏色的2種變化，即明度、彩度和色調(diào)的變化。</p><p>　　b.在由兩種成分組成的混合色中，如果一個成分連續(xù)變化，則混合色的外貌也隨之連續(xù)變化。由此導(dǎo)出下述兩條定理。</p><p>　　補色律：每一種顏色都有一個相應(yīng)的補色。如果某一顏色與其補色以適當(dāng)?shù)谋壤旌?，則可產(chǎn)生白色和灰色；如果兩種按其他

60、的比例混合，則產(chǎn)生近似比重大的顏色成分的非飽和色。</p><p>　　中間色律：任何兩種非補色混合時產(chǎn)生中間色，其色調(diào)取決于兩種顏色的相當(dāng)數(shù)量，其飽和度取決于兩者在色調(diào)順序上的遠近。</p><p>　　c.顏色外貌相同的光，不管它們的光譜組成是否相同，在顏色混合中具有相同的效果。也就是說，凡是在視覺上相同的顏色都是等效的。由此導(dǎo)出顏色的替代律：相近顏色混合后仍相似。根據(jù)顏色替代定律，可

61、以利用顏色混合方法萊產(chǎn)生或代替各種所需要的顏色。</p><p>　　d.由各種顏色的光組成的混合光總亮度等于組成混合光的各種顏色光的亮度的總和，這一定律稱為亮度相加定律。</p><p>　　上述顏色混合定律適合于各種顏色光的相加混合，而不適合于染料或涂料的混合。因為各種顏色光的混合（或稱加色法混合）是由于不同顏色的光引起眼睛的同時興奮；而染料或涂料的混合稱為減色法混合，這種混合所得到的

62、顏色是由于不同波長的光在所混合的染料或涂料微粒中被逐漸吸收而產(chǎn)生的。</p><p>　　顏色及其混合規(guī)律可以用顏色環(huán)示意。例如，把顏色</p><p>　　飽和度最高的光譜色加上紫紅色，然后依照波長順序就可圍成一個圓環(huán)，稱之為顏色環(huán)，如圖3-6所示。白色位于圓環(huán)中心。</p><p>　　當(dāng)兩種顏色混合時，混合色在圓環(huán)中的位置取決于兩種顏色成分的比例，并且靠近比重

63、大的那種顏色。凡是兩種顏色混合時產(chǎn)生白色和灰色的，那么這兩種顏色稱為互補色，。關(guān)于顏色環(huán)中心對稱的顏色都是互補色。例如，黃和藍是一對互補色，紅和綠是一對互補色，等等。因此，當(dāng)一對互補色按各種比例混合后，所產(chǎn)生的顏色就位于連續(xù)互補色的直線上，呈白色或各種非飽和色。顏色換上任何兩個非互補色相混合后，可以得到兩色中間的混合色，并位于兩色相連的直線上，其色調(diào)取決于兩顏色的比例。</p><p><b>　?。?

64、）表色系統(tǒng)</b></p><p>　　人們用兩種系統(tǒng)來表示光源和物體的不同顏色。</p><p>　?、倜先麪枺∕unsell）系統(tǒng)</p><p>　　孟塞爾系統(tǒng)是A.H.孟塞爾根據(jù)顏色的視覺特點制定的顏色分類和標(biāo)定系統(tǒng)。它用一個類似球體的模型，把各種表面色的3種基本特性：色調(diào)H、明度V、彩度（飽和度）C全部表示出來。立體模型中的每一部位都代表一種特

65、定的顏色，并都有一個標(biāo)號。</p><p><b>　　②CIE表色系統(tǒng)</b></p><p>　　與用分光儀器將白色光散成許多單色光相反，人們也試圖用幾種單色光相混合以得到所要求的顏色光，并獲得成功?；焐珜嶒灠l(fā)現(xiàn)，所有顏色的光都可以由某3種單色光按一定的比例混合而成。這3種單色光中的任何一種都不能由其余兩種混合產(chǎn)生。這3種單色光稱為三原色。1931年CIE規(guī)定的R

66、GB系統(tǒng)的三原色光波長分別為 ， 的紅光（R）、綠光（G）和藍光（B）。但采用RGB系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，有些涼出現(xiàn)負值，給計算帶來很大不便。所以，1931年CIE又規(guī)定了一個新的系統(tǒng)，既是CIE XYZ系統(tǒng)。</p><p>　　3.2.2 與顏色有關(guān)的照明參量</p><p>　?。?）色溫與相關(guān)色溫</p><p>　　色溫是光源顏色的一種表色方法。當(dāng)光源

67、所發(fā)出的光的顏色與黑體在某一溫度下的顏色相同時，這一黑體的溫度稱為光源的顏色溫度 ，簡稱色溫（CT），用熱力學(xué)溫度表色，單位為K（開爾文）。不同溫度黑體的光色變化在色度圖上形成一個弧形軌跡，被稱為黑體軌跡。熱輻射光源（如白熾燈、鹵鎢燈等）的顏色變化基本上與黑體軌跡相符。對于一其他形式發(fā)光的光源，其發(fā)光不一定落在黑體軌跡上。在此情況下，只能用相關(guān)色溫來表示。若光源發(fā)出的光與黑體在某一溫度下的顏色最接近，則黑體此時的溫度稱為該光源的相關(guān)色溫

68、。</p><p>　　通常，色溫高的光源的顏色偏藍，色溫低的光源的顏色偏紅。光色偏藍的稱為冷（或冷光），光源的顏色偏紅的稱之為暖色，介于冷色和暖色之間的光色稱之為中間色。</p><p><b>　?。?）顯色性</b></p><p>　　照明光源除了用色溫表示其自身的顏色（即色表）外，還用顯色性作為另一個常用的評價指標(biāo)。顯色性是指光源的光

69、照射到物體上所產(chǎn)生的客觀效果和對物體真實色彩的顯現(xiàn)程度。顯色性高的光源對顏色的表現(xiàn)較好，所看到的顏色就接近自然原色；顯色性低的光源對顏色的表現(xiàn)較差，所看到的顏色偏差也較大?？梢姽獾牟ㄩL在380~780nm的范圍內(nèi)，也就是我們在光譜中看到的紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的范圍。如果光源發(fā)出的光中所含的各色光的比例和自然光相近，則人眼所看到的顏色也就較為逼真。顯色性好的光源（如白熾燈），其光譜分布能覆蓋大部分見光的區(qū)域。再好的裝潢、擺設(shè)、藝術(shù)品

70、和衣物等，有時也會因所選擇的光源不當(dāng)而失色。</p><p>　　一般人工照明光源用顯色指數(shù) 作為顯色性的評價指標(biāo)。 值的范圍為0~100 值越高，光源的顯色性就越好。一般認(rèn)為 =80~100，光源的顯色性優(yōu)良； =50~79，光源的顯色性一般； <50，光源的顯色性較差。對于顏色辨別要求高的場合，如攝影棚、體育館和印刷行業(yè)，需要使用高顯色指數(shù)的光源，如白熾燈、鹵鎢燈等、它們的顯色指數(shù) 都達到85以上。&l

71、t;/p><p>　　4. LED在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用</p><p>　　4.1 LED汽車照明</p><p>　?。?）汽車照明的發(fā)展歷程</p><p>　　汽車照明的光源經(jīng)歷了極大的發(fā)展。20世紀(jì)60年代鹵鎢燈的發(fā)明給光源的光效和壽命帶來了一場革命，這種燈光效在20~25lm/W,壽命在200~300h。20世界70年代，鹵

72、鎢燈大規(guī)模代替了白熾燈用于汽車照明，至今任然占據(jù)汽車前照燈的統(tǒng)治地位。之后再20世紀(jì)90年代，氙燈逐漸走入了人們的視野，其光效達到90lm/W，啟動速度更短，壽命也比鹵鎢燈長許多，達3000h，其近似電光源的特性也使燈具設(shè)計更容易，光利用效率更高。</p><p>　　20世紀(jì)60年代后，LED這種新型光源的出現(xiàn)時人們對汽車照明系統(tǒng)的發(fā)展看到了新的曙光。鑒于LED壽命長、啟動時間短、環(huán)保及工作電壓低的特點，現(xiàn)在L

73、ED用于汽車上最普遍的要數(shù)車內(nèi)儀表板、操作開關(guān)、閱讀燈、示寬燈、牌照燈、等低照度燈飾。對于車外照明知道1985年LED信號燈才被用于客車上。1986年Nissan 300ZX型車上的高位剎車燈（CHMSL）運用了72個5mm的LED，這標(biāo)志著LED逐步進入了汽車照明工業(yè)的核心。1998年白光LED的發(fā)明，人們看到將LED用于汽車前照燈的可能性。多年內(nèi)，以LED為前照燈的概念層出不窮，知道2008年第一款以LED作為近/遠光燈的凱迪拉克E

74、scalade Platinum 量產(chǎn)車的出現(xiàn)才宣布LED作為主流前照燈光源的開始。目前有雷克薩斯LS600hL、08款奧迪R8等多款車主打LED為前照燈。但是只限于這些高檔豪華車型，LED前照燈走向中低端車型需要很長一段時間。</p><p>　　2006年，國際上汽車用LED的產(chǎn)值到到6.3億美元，占總體LED用量的15%。在200年之前，LED最大的應(yīng)用亮點是手機，其在全球所占的份額達52%。2005年之后

75、，手機趨于飽和，取而代之的是汽車、交通燈、景觀照明和一般照明。汽車產(chǎn)業(yè)在全球經(jīng)濟中仍然是一支產(chǎn)業(yè)。目前我國的汽車年產(chǎn)能達800多萬輛，已超過德國，產(chǎn)量位居世界第三。規(guī)模如此之大的汽車產(chǎn)業(yè)，拉動了汽車燈具的發(fā)展，同時為LED在汽車上的應(yīng)用提供了廣闊的市場空間。按目前LED的技術(shù)水平，一輛汽車需要300多個LED，其需求量非常之大。未來幾年我國車燈將會有較大的發(fā)展，形成超過10億元的年產(chǎn)值。</p><p><

76、b>　?。?）汽車車燈分類</b></p><p>　　一架具有標(biāo)準(zhǔn)照明系統(tǒng)的汽車車身內(nèi)外的燈具大大小小有十余種，若按用途來分，可分為照明燈和信號燈兩類。照明燈猶如汽車的“眼睛”，在黑暗中照明汽車行駛方向上的道路，延伸和拓寬駕駛員的視野。信號燈如同汽車的“嘴巴”，車輛可通過燈光信號同其他車輛進行“語言”交流，向其他汽車司機明示本車的存在及其行使的狀態(tài)，以使汽車在道路上能夠安全快捷行駛。</

77、p><p>　　照明燈又分為車外照明燈和車內(nèi)照明燈。車外照明燈包括遠/近光燈、前霧燈和車牌燈等；車內(nèi)照明燈主要是儀表和閱讀燈等。</p><p>　　信號燈也分車外信號和車內(nèi)信號燈。車外信號燈是只側(cè)/后轉(zhuǎn)指示燈、（高位）剎車燈、后霧燈、示寬燈、倒車燈等。車內(nèi)信號燈泛指儀表板指示燈，主要有轉(zhuǎn)向、機油壓力。充電。關(guān)門提示及音響、空調(diào)等指示燈。在這些車燈中，屬于強制性檢驗的有車外照明燈和車外信號燈，

78、因為它們是行車安全的關(guān)鍵部件。</p><p>　?。?）LED在汽車照明的優(yōu)勢所在</p><p>　?、僭鲞M安全：LED信號燈啟動比白熾燈光源更迅速。對于時速為62mile（1mile=1609.344m）的車來說，LED的反應(yīng)時間可以縮短200ms，相當(dāng)于減少19ft（1ft=0.3048m）的停車距離。另外LED燈工作在比較安全的低電壓，相對其他競爭光源是個優(yōu)點。</p>

79、;<p>　?、诜?wù)壽命超過汽車壽命：可以說LED車燈無需更換，駕駛者不必擔(dān)心剎車燈失靈；并且LED的工作壽命隨著技術(shù)的突破和進展將不斷增強。</p><p>　　③耐久：LED器件的光生產(chǎn)機構(gòu)使它抗振動和沖擊，使其成為汽車和卡車尾燈、橋燈和航行器燈的理想光源；而熱燈絲白熾燈遭受振動和沖擊時發(fā)光易失效。</p><p>　?、芄?jié)省空間：因為LED燈具可以做的薄一些，或可減少燈

80、具的深度，這對于信號功能燈而言是個直接優(yōu)點，而對于近光燈和遠光燈是個間接優(yōu)點。</p><p>　?、轃o污染和低能耗：LED不包含水銀，而且能耗低。一般做近光燈用的白熾燈能耗超過150W，而用三個標(biāo)準(zhǔn)1W LED代替，即使包括控制單元用點在內(nèi)，每一個LED燈僅消耗4~5W，或每輛車僅消耗10W。</p><p>　　⑥日光色：對于VW車型該優(yōu)點立刻能體現(xiàn)，與鹵鎢燈或氙燈相比，白光LED的光

81、束更接近日光，這對駕駛員是非常舒服的，尤其對遠光燈更是如此。如果用LED作位置燈或DRL燈（日間行駛燈）并與氙燈組件組合在一起，則比鹵鎢燈和單獨氙燈更好。</p><p>　?、咛岣吣芤姸?用LED燈作光源可以是汽車在彎路和十字路口獲得理想照明。用LED作高速公路燈光增進了司機在高速公路上的能見度，可照到車前30m遠。</p><p>　?、喙饪兀篖ED汽車前大燈能集中所有光直接朝向車前的

82、路面而不使迎面駛來的司機感到晃眼。這是因為LED的燈光可以通過聚焦透鏡進行控制，讓它射向所需要的方向。</p><p>　?、嶂悄芄夤δ埽嚎蓪崿F(xiàn)像動態(tài)轉(zhuǎn)角燈那樣的智能光功能。因為LED是半導(dǎo)體，它可以快速調(diào)光或者快速開關(guān)。一般LED燈是用30~35個芯片的多芯片陣列，沒個芯片可以尋址，由開或關(guān)的不同組合可以產(chǎn)生不同光分配，在2010~2012年內(nèi)將可以實現(xiàn)這方面的應(yīng)用。</p><p>　

83、　4.2 LED道理隧道照明</p><p>　?。?）道路照明的現(xiàn)狀</p><p>　　道路照明時隨著人們生活水平不斷提高而發(fā)展的。只有當(dāng)人們有在夜晚出行的需求，才出現(xiàn)了道路照明。同時，人們對于道路照明的要求也隨著時代的發(fā)展而不斷提高，從而要求照亮路面幫助人們察覺道路情況，到幫助人們識別道路上的障礙物還是行人，再到幫助駕駛員辨認(rèn)行人的特征。</p><p&g

84、t;　　由于道路照明的特征情況，即需長時間工作、懸掛高度高、不宜頻繁更換等，一般目前所使用的光源都具有光效較高、壽命較長的特點，例如高壓鈉燈、金鹵燈、無極燈等。在目前技術(shù)較為成熟的光源中，高壓鈉燈的光效最高，一般可達到100~120lm/W，使用高壓鈉燈作為道路照明的光源，能耗較低。而無極燈，由于其依靠電磁感應(yīng)而發(fā)光，對于懸掛高度較高、不宜頻繁更換的道路照明燈具而言，其壽命毫無疑問是其最大的優(yōu)勢。</p><p>

85、;　　當(dāng)然，高壓鈉燈和無極燈應(yīng)用于道路照明也都有其各自的缺陷。高壓鈉燈在所有的光源中，較差的顯色性使其作為道路照明的一大硬傷。使用高壓鈉燈作為道路照明，僅僅能幫助駕駛員察覺道路情況，或者辨識道路障礙物，要想幫助其迅速分辨行人特征有較大的困難。而無極燈的技術(shù)尚不成熟，其光效以及配光仍然是制約其作為道路照明主流光源的一大阻礙。</p><p>　　目前道路燈具中普遍采用的HID光源是高壓鈉燈或金屬鹵化物燈，這兩種混光

86、源的最大特點是，發(fā)光的電弧管尺寸小，由尺寸很小的電弧管產(chǎn)生很大的光輸出，并且具有很高的光效，前者包括配套電器，可達1101lm/W，后者包括配套電器可達801lm/W。但這類光源應(yīng)用在道路燈具中時，只有40%左右的光是直接透過玻璃罩到達路面的，其他的光是通過燈具反射器再投射出燈具的。目前普遍采用此類光源的傳統(tǒng)燈具基本上都存在兩個不足，一是燈具直接照射的方向上照度很高，在次干道上可達50lx以上，這一區(qū)域?qū)儆诿黠@的過度照明，而兩個燈具的光

87、照度交叉處的照度僅為燈下照度的20%~40%。</p><p>　　二是此類燈具的反射器的效率一般僅為50%~60%，所以有60%左右的光輸出在燈具內(nèi)，是在損失了30%~40%后再投射到路面上的。此類燈具的總體效率一般都在70%左右，并且上述的過度照明也屬于浪費。綜合分析上述的傳統(tǒng)的道路燈具，其綜合的有效照明效率（扣除過度照明部分）僅為50%。也因為上述原因，目前我國次干道的照明效果（路面照度和照度的均與度）基本

88、都達不到CJJ45-2006和CIE31以及CIE115標(biāo)準(zhǔn)的要求。</p><p>　　而隨著LED技術(shù)的日趨成熟，目前市場上已經(jīng)量產(chǎn)的1W大功率白光LED光源的光效已經(jīng)達到了100lm/W。在實驗室的研究水平，最高光效達到了160lm/W。而且LED的定向發(fā)光特性使其容易實現(xiàn)較為理想的的配光，并提高燈具效率和燈具利用系數(shù)。在道路照明上LED逐漸顯露出吸引力和競爭力。</p><p>　

89、　據(jù)2006年國家路燈行業(yè)統(tǒng)計，我國城市道路照明共有1500萬只以上的路燈，近幾年的增長率在20%以上。照此估算，全國每年照明路燈的市場規(guī)模不低于50億元，如使用LED路燈，每年可節(jié)電20億度以上。目前中國整個道路照明市場高壓鈉燈占據(jù)了60%以上的份額，而在一些社區(qū)道路及鄉(xiāng)村道路等場所的照明光源主要為節(jié)能燈（CFL），約占20%，而汞燈和白熾燈燈光源正逐漸被淘汰。隨著LED技術(shù)的發(fā)展和成熟，LED路燈的應(yīng)用將會越來越廣。中國內(nèi)地在“十城

90、萬盞”等政策帶動下，將深圳、重慶、成都、天津、綿陽、鄭州等21個大中型城市列為核準(zhǔn)城市。推動LED閘門應(yīng)用示范工程。</p><p>　　此外，各國和地區(qū)政府也積極推動LED路燈，例如美國洛杉磯也計劃5年內(nèi)設(shè)置14萬盞LED路燈，中國臺灣地區(qū)表示三年內(nèi)更換128萬盞LED路燈，在政策支持下，今年全球LED路燈需求增至250萬盞，年增長率高達178%。</p><p>　?。?）LED在道路

91、照明應(yīng)用中的優(yōu)勢</p><p><b>　?、俟庑Ц?、能耗低</b></p><p>　　在道路照明上，高壓鈉燈因為其光效可達到120lm/W而占主導(dǎo)地位，但隨著LED光效的不斷提高，高壓鈉燈的壟斷地位岌岌可危，及其在次干道燈需要150W LED路燈一下的應(yīng)用場合，LED已經(jīng)體現(xiàn)出了明顯的節(jié)能優(yōu)勢。</p><p>　　LED照明產(chǎn)品崛起的重

92、要原因之一，就是LED的光效已經(jīng)超過大部分傳統(tǒng)光源，并且絕對有可能在不久的將來明顯高于所有的傳統(tǒng)光源。LED的光效理論計算可以達到270~290lm/W或更高，這是傳統(tǒng)光源無法比擬的。2007年2月，美國Lumileds宣布，研制出色溫為4685K的白光LED光效可達115lm/W。2008年7月，德國的OSRAM宣布，將大功率白光LED在350mA驅(qū)動電流條件下的光效刷新到了136lm/W（光通量為155lm）。到了2009年初，Cr

93、ee，OSRAM相繼宣布了在實驗室水平大功率白光LED的光效達到160lm/W。雖然針對LED的測試標(biāo)準(zhǔn)尚未正式出臺，對如此高的光效還有爭議，但毫無疑問，LED的光效已經(jīng)遠遠超過白熾燈，也逐步逼近直管熒光燈、緊湊型熒光燈及高壓鈉燈等傳統(tǒng)光源。</p><p>　　傳統(tǒng)的高壓鈉燈等傳統(tǒng)路燈使用的光源一般向整個空間發(fā)光，但道路照明需要照亮的只有行車?yán)锩婧托腥寺访妫虼藷艟吖鈱W(xué)設(shè)計要盡可能的時光均勻并集中地投射到路面上

94、。因而在設(shè)計照明燈具時，通常要用曲面反射器來收集光線，使之向所需要的方向照射。采用LED光源，由于具有良好的方向性，基本為單面發(fā)光，所以在采用二次光學(xué)透鏡時，燈具出光效率可達85%左右，如果采用一次光學(xué)透鏡，其燈具出光效率更可高達90%以上。</p><p>　　另外，由于LED驅(qū)動技術(shù)的日益成熟，其調(diào)光技術(shù)可以進一步降低LED路燈的功耗，而且LED的調(diào)光技術(shù)不會對LED壽命和光效造成影響。作為占總照明用電量約為

95、15%~20%的道路照明而言，如果能夠大規(guī)模推行LED路燈，毫無疑問可以很大程度降低道路照明的用電，從而緩解目前全球的能源危機。</p><p><b>　?、谒矔r啟動</b></p><p>　　氣體放電光源從啟動至光輻射穩(wěn)定輸出，一般要幾十秒至幾十分的時間，這是由于氣體放電光源本身的特性決定的。而白熾燈是熱輻射光源，給人的感覺就是一點就亮，但實際上白熾燈啟動后也有

96、約零點幾秒的上升時間。而LED的響應(yīng)時間只有幾十納秒，另外氣體放電光源在關(guān)閉后需要等待一段時間，光源冷卻后方可重新啟動。而LED具有瞬時啟動的特點，通電即可正常穩(wěn)定工作，同時也不存在再次啟動的等待時間。</p><p><b>　?、蹓勖L</b></p><p>　　壽命長段將直接影響整個道理照明的維護成本。一般高壓鈉燈的壽命在20000h左右，即便OSRAM生產(chǎn)的

97、VIOLOX NAV高壓鈉燈其最高壽命也只能達到32000h。一般我們所使用的道路照明的高壓鈉燈，壽命僅為5000h。相比直線，LED在保證一定工作電流和散熱條件下，一般壽命可以達到50000~70000h，其壽命上的優(yōu)勢是任何傳統(tǒng)光源無法相比的。而且高壓鈉燈平均壽命指一批受試燈泡點燃至50%數(shù)量損壞時的時間，而LED的平均壽命被定義為一批受試樣品點燃至50%數(shù)量的光衰大于70%的時間。</p><p><

98、b>　?、茱@色性好</b></p><p>　　使用鈉燈作為照明主要光源的主要原因是因為其光效較高，但是高壓鈉燈的致命缺點就是顯色性，一般其顯色指數(shù)僅為20左右，在光源中屬于最低的。其較差的顯色性只能幫助道路照明使用者察覺道路情況，并不能幫助他們清晰辨別。而LED對顏色的呈現(xiàn)更真實更能夠反映物體本身的顏色。</p><p><b>　?、荼阌谡{(diào)光控制</b

99、></p><p>　　LED燈具可實現(xiàn)0~100%連續(xù)調(diào)光，可根據(jù)環(huán)境光照及交通狀況靈活調(diào)整光輸出，在保證照明質(zhì)量的同時降低不必要的功耗。采用傳統(tǒng)鈉燈及金鹵燈的路燈，一般只能實現(xiàn)小范圍的調(diào)光控制，應(yīng)用中不可避免地受到其最低工作電壓的局限性。</p><p><b>　?、藿Y(jié)構(gòu)牢固</b></p><p>　　LED是用環(huán)氧樹脂、硅樹脂燈

100、封裝的半導(dǎo)體發(fā)光的固體光源，其結(jié)構(gòu)不包含玻璃、燈絲等易損壞的部件，是一種實心的全固體結(jié)構(gòu)，因此能夠經(jīng)得住震動、沖擊而不致引起損壞，特別適合在道路、隧道和汽車照明中應(yīng)用。</p><p><b>　?、呖偝杀?lt;/b></p><p>　　目前LED燈具的成本相比傳統(tǒng)光源較高，但是其高光效、長壽命等特點顯著減少了其燈具的維護成本，而隨著LED初成本的進一步降低，其在總成本

101、上的優(yōu)勢也將進一步明顯。</p><p>　　4.3 LED在其它方面的應(yīng)用</p><p>　　鑒于LED 的自身優(yōu)勢， 除了在上述兩個方面的應(yīng)用外，目前主要還應(yīng)用于以下幾大方面: </p><p>　?。?）顯示屏、交通訊號顯示光源的應(yīng)用LED 燈具有抗震耐沖擊、光響應(yīng)速度快、省電和壽命長等特點，廣泛應(yīng)用于各種室內(nèi)、戶外顯示屏，分為全色、三色和單色顯示屏

102、， 全國共有100 多個單位在開發(fā)生產(chǎn)。交通信號燈主要用超高亮度紅、綠、黃色LED， 因為采用LED 信號燈既節(jié)能，可靠性又高，所以在全國范圍內(nèi), 交通信號燈正在逐步更新?lián)Q代，而且推廣速度快，市場需求量很大， 是個很好的市場機會；</p><p>　?。?）LED 背光源以高效側(cè)發(fā)光的背光源最為引人注目,LED 作為LCD 背光源應(yīng)用, 具有壽命長、發(fā)光效率高、無干擾和性價比高等特點， 已廣泛應(yīng)用于電子手表、手機

103、、BP 機、電子計算器和刷卡機上，隨著便攜電子產(chǎn)品日趨小型化，LED 背光源更具優(yōu)勢，因此背光源制作技術(shù)將向更薄型、低功耗和均勻一致方面發(fā)展。LED 是手機關(guān)鍵器件， 一部普通手機或小靈通約需使用10 只LED 器件， 而一部彩屏和帶有照相功能的手機則需要使用約20 只LED 器件?，F(xiàn)階段手機背光源用量非常大，一年要用35 億只LED 芯片。目前我國手機生產(chǎn)量很大，而且大部分LED 背光源還是進口的，對于國產(chǎn)LED 產(chǎn)品來說,這是個極好

104、的市場機會。 </p><p>　?。?）LED 照明光源早期的產(chǎn)品發(fā)光效率低，光強一般只能達到幾個到幾十個mcd（豪坎德拉），適用在室內(nèi)場合，在家電、儀器儀表、通訊設(shè)備、微機及玩具等方面應(yīng)用。目前直接目標(biāo)是LED 光源替代白熾燈和熒光燈，這種替代趨勢已從局部應(yīng)用領(lǐng)域開始發(fā)展。日本為節(jié)約能源, 正在計劃替代白熾燈的發(fā)光二極管項目( 稱為" 照亮日本")，頭五年的預(yù)算為50 億日元，如果LED

105、替代半數(shù)的白熾燈和熒光燈，每年可節(jié)約相當(dāng)于60 億升原油的能源，相當(dāng)于五個1.35 ×106kW 核電站的發(fā)電量，并可減少二氧化碳和其它溫室氣體的產(chǎn)生，改善人們生活居住的環(huán)境。我國也于2004 年投資50 億大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保的半導(dǎo)體照明計劃。</p><p>　　(4)其它應(yīng)用例如一種受到兒童歡迎的閃光鞋，走路時內(nèi)置的LED 會閃爍發(fā)光，僅溫州地區(qū)一年要用5 億只發(fā)光二極管；利用發(fā)光二極管作為電動牙刷的

106、電量指示燈， 據(jù)國內(nèi)正在投產(chǎn)的制造商介紹，該公司已有少量保健牙刷上市，預(yù)計批量生產(chǎn)時每年需要3 億只發(fā)光燈；正在流行的LED 圣誕燈，由于造型新穎、色彩豐富、不易碎破以及低壓使用的安全性，近期在香港等東南亞地區(qū)銷勢強勁，受到人們普遍的歡迎，正在威脅和替代現(xiàn)有電泡的圣誕市場。</p><p>　　5. LED的發(fā)光原理及主要參數(shù)、特性</p><p>　　5.1 LED的發(fā)光原

107、理及結(jié)構(gòu)</p><p>　　（1）LED與傳統(tǒng)光源的不同發(fā)光原理</p><p>　　目前使用的大部分光源是白熾燈或者氣體放電燈，而LED的發(fā)光原理則與上述兩種光源迥然不同。LED自發(fā)光的發(fā)光是由于電子與空穴的復(fù)合而產(chǎn)生的。一般的LED多以半導(dǎo)體為材料。根據(jù)這些元素的帶隙和晶格常數(shù)，可以推斷出這些材料的發(fā)光范圍覆蓋了紅光到紫外線區(qū)域。目前紅光LED的主要材料有AlGanLnP，而藍綠光及

108、紫外LED的主要材料則有AlGaInN。雖然這些材料也可以得到紅光和綠光，但是這些族的材料極為不穩(wěn)定，所以目前使用的發(fā)光材料大部分是Ⅲ-Ⅴ族。</p><p>　　發(fā)光效率與材料是否為直接帶隙有關(guān)。直接帶隙材料包括GaN-InN-AlN、GaAs、InP、InAs及GaAs等，這些材料的導(dǎo)帶最高點與價帶最高點在同一K空間，所以電子與空穴可以有效地再復(fù)合而發(fā)光。對于空間帶隙材料來說，其導(dǎo)帶最低點與價帶最高點不再同一

109、K空間，電子與空穴復(fù)合時除了發(fā)光外，還需要聲子的配合，所以其發(fā)光效率低。目前LED用的都是直接帶隙材料。</p><p>　　LED是利用半導(dǎo)體PN結(jié)（如圖）或類似結(jié)構(gòu)將電能轉(zhuǎn)換為光能的。所謂P型半導(dǎo)體，是摻雜了受主雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料；N型半導(dǎo)體則是摻雜了施主雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料。將這兩種材料放在一起，就得到了PN結(jié)。N型半導(dǎo)體中有余量的電子，P型半導(dǎo)體中有余量的空穴，因此，在兩種材料接觸的地方會產(chǎn)生耗盡層。耗盡層具有