基于道路照明的LED阵列光照度分布研究

2009年 3 月 第 20 卷 � 第 1期 照明工程学报 ZHAOMING GONGCHENG XUEBAO Mar. � 2009 Vol� 20� No�1 基于道路照明的 LED阵列光照度分布研究 胡海蕾1 � 赖爱光2 � 谢树森3 ( 1. 福州大学物理与信息工程学院, 福建福州 � 350002; � 2. 福建省光学技术研究所, 福建福州 � 350001; 3. 福建师范大学激光与光电子技术研究所, 福建福州 � 350012) 摘� 要: 采用理论推导和计算机模拟相结合的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 对 LED 阵列的光照度分布进行了研究, 并结合实际道路照明工 程, 对LED路灯影响路面光照度分布的因素作了定量分析, 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。 关键词: LED; LED 阵列; 光照度; 道路照明 Studies of Illuminance Distribution of LED Arrays for Road Illumination Hu Hailei 1 � Lai Aiguang2 � Xie Shusen3 ( 1. College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University , Fuzhou � 350002; 2. Fujian Institute of Optical Technology , Fuzhou � 350001; 3. Institute of Laser and Optoelectronics Technology , Fujian Norm al University , Fuzhou � 350007) Abstract � Illuminance distribution of LED arrays is studied by theoret ical analysis and simulat ion of computer. It shows that the illumination uniformity is significantly affected by the distance between LEDs each other in the LED array and other parameters. In addition, a formula of illuminance distribution of road�surface illuminated by LED arrays and related curves are obtained. The method of analysis in this thesis can be useful in the application of LED in the illumination engineering. Key words: LED; LED array; illuminance; road illuminat ion 1 � 引言 随着第三代半导体 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 氮化镓的突破和蓝、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[1~ 5]。 据预测, 我国LED路灯市场将快速发展, 以我 国目前城市道路照明存量 2000多万只、年增量 150 万~ 200万只计算, 即便只考虑增量需求, 也将是 一个年销售额达到 100亿~ 200 亿人民币规模的市 场, 如果存量部分路灯也全部更换为 LED路灯, 这 将是一个规模达 1000 亿~ 2000 亿人民币的大市 场 [ 6] 。 目前, 广泛用于道路照明的光源主要有高压钠 灯、低压钠灯、荧光灯等, 其中, 高压钠灯以其光 效高等优点在道路照明中使用量最大, LED路灯跟 其相比, 具有更大的发展潜力, 已成为国内 LED产 业发展的一个热点[ 6]。但现阶段单个 LED的功率还 达不到道理照明的要求, 因此采用 LED的路灯照明 必须对 LED进行阵列。本文探讨的 LED阵列对考察 平面的光照度的分布影响与 LED的阵列方式之间的 关系, 提供了分析此类实际问题的一个方法。 图 3 � d= 26mm时两个 LED 光照度叠加 2 � 两个 LED的光照度分布 在考察LED阵列前, 先研究两个 LED的光照度 分布情况。由于 LED是一种非相干光源, 因此两个 LED 对平面上某一区域的光照度为其单个的叠 加[ 7,8] , E( x , y , z ) = z m I 0 x - d 2 2 + y 2 + z 2 - m+ 2 2 x + d 2 2 + y 2 + z 2 - m+ 2 2 ( 1) 式中 d 为两个LED之间的距离, 如图 1所示, 若 d 增大, 则该两个 LED照射的范围也越大, 但在照射 区域的中间部分, 即图 1中平面的原点附近的区域 照度往往低于其两边的照度, 造成光照度的均匀性 不好, 故我们所要考虑的是 d 增加到多大时, 原点 附近的区域的光照度不至下降很多, 我们可以根据 衍射中的爱里斑得到启发, 如图 2所示。 由此有 令 d 2 E dx 2 = 0, 且 x = 0, y = 0 dmax = 4 m+ 3 z ( 2) m 为经验参数, 与单个 LED的发光特性有关, 此处 为81, 另设考察平面的距离 z= 100mm得 dmax = 21�822mm 图 1� 两个 LED 照射同一平面 图 2 � 相对照度与 d的关系 � � 用照明光学分析软件 TracePro 进行考察平面上 的光照度分析, 并取不同的 LED间距, 模拟的结果 78 � � � � � � 照明工程学报 2009 年 3月 � 如图 3所示。 从模拟的光照度分布图可以看出, 随着 LED间 距 d 的增大, 平面中心的照度缓慢下降, 当间距 d 为26mm时, 照度分布曲线变平坦, 两 LED之间区 域的光照度均匀性较好。计算机模拟值与式 ( 2) 计 算的理论值相差不大, 可以解释为 LED光学模型的 构造误差所致, 即在计算机中构造的 LED模型并不 是点光源, 而是和实物很相近的 �5mm 圆柱状; 而 式 ( 2) 计算的基础是将 LED 当作点光源。理论值 和模拟值之间的差恰好是 LED的大小 �5mm。理论 值和模拟值的这种关系说明: 一方面式 ( 1) 的光照 度分布计算是正确的; 另一方面我们在计算机中所 建立的该 LED的光学模型具有较高的可信度。 3 � LED阵列在道路照明中的应用 在LED路灯照明光学系统中, 对地面的光照度 分布有影响的因素有 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。 如图 4所示为一路面示意图, A、B、C三点分 别安装三个相同的LED阵列的路灯, 它们相互之间 的间隔为 L , LED路灯的阵列平面平行于路面。L 的大小可以根据实际道路照明工程的实际需要来确 定。根据前面得到的单个 LED阵列的光照度分布 图, 我们重点考虑的是每个 LED阵列法线方向在路 面的光照度及相邻 LED 阵列之间距离中点的光照 度。 图 4 � 路面LED阵列示意图 由实验测得我们所用的单个 LED在额定电压下 的法向光强约为 12�5cd, 即 I 0 = 12�5cd。在实际照 明工程上, 为了节约成本, 应当根据实际照明需求 来合理选择 LED阵列中的LED间距, 在本文中取 d = 0�022米进行分析。由光照度的叠加性可知包括 A 点在内的沿+ x 和- x 方向的总共 2p+ 1个 LED阵 列在路面的光照度分布为 E ( x ) = E ( x , 0,H ) + !∀ p= 1 [ E ( x - Lp , 0,H ) + E ( x + Lp , 0, H ) ] � � 图 5是 L 为不同时, 路面上的光照度 E ( x) 的 分布, 其中 LED的阵列形式为 25 # 25, 阵列高度 H = 6米。 图 5 � 不同 LED阵列间距的路面光照度分布 由此图可以看出, 不同 LED阵列间距的路面光 照度分布形式都是以 L 为周期的周期函数, 即整个 路面的光照度极大值 Emax位于每个 LED阵列的正下 方, 光照度极小值 Emin位于相邻两个 LED阵列的中 点上。此外, 随着LED阵列间距 L 的增大, 其光照 度极小值 Emin也减小, 这说明 L 的取值必须结合具 体的LED阵列形式, 不同的LED阵列形式有不同的 光强分布, 因此达到同样的照度所要求的 L 也不相 同, 该值取决于整个路面的照明工程要求, 如图 5 中当 L = 2米时, 路面光照度均匀性较好, 该种阵 列形式可以应用于绝大多数道路照明中, 而 L = 3 米时, 光照度均匀性下降, 但仍可应用于要求不高 的场合, 进一步 L = 4米, L = 5米时, 路面的光照 度相对于 L = 2 米时已非常不均匀, 故该种阵列形 式在实际照明工程中不能采用。 路面上任一点的照度是所有 LED阵列对该点光 照度的叠加。E ( x ) 极大值即 LED阵列正下方的 照度与阵列高度 H 之间的关系可 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为 Emax ( H ) = E( 0, 0,H ) + !∀ p= 1 [ E ( Lp , 0,H ) + E(- Lp , 0,H ) ] 在不同间距 L 下, Emax随阵列高度的H 变化的关系 曲线如图 6所示, 图中四条曲线变化趋势相同, 除 了 L= 2米的曲线外, 其余三条曲线几乎重合, 这 说明 Emax主要决定于该点正上方的 LED阵列本身, 与相邻的阵列LED关系不明显, 故与LED阵列间距 L 的关系也不明显。此外, 随着 LED阵列高度的增 加, Emax值减小, 这也符合实际情况。 79第 20 卷第 1期 胡海蕾等: 基于道路照明的 LED阵列光照度分布研究 图 6 � LED阵列中心光照度与高度的关系 同理, 相邻两个 LED 阵列距离的中点的光照 度, 即 E ( x ) 极小值 Emin与阵列高度 H 的关系可 表示为 Emin (H ) = 2!n p = 1 E Lp - 1 2 , 0,H + E Ln + L 2 , 0, H 它们的关系曲线如图 7所示, 由图中可知 E min值与 LED阵列间距 L 及 LED阵列高度 H 均有关系。 图 7 � 相邻LED阵列中点光照度与高度的关系 道路照明中另一个重要指标是整个路面的光照 均匀度, 它与 LED阵列高度 H 的关系可表示为 R = Emin (H ) E max ( H ) 相应的关系曲线如图 8所示 由图中可知在相同的阵列高度下, LED阵列间 距 L 越小, 则整个路面的光照均匀度越高; 反之, 当 L 增大到一定程度, 在两个相邻 LED阵列之间能 图 8 � 光照均匀度与高度的关系 形成一个 ∃暗区%, 该区域的光照度与 Emax相比甚 小, 从而使整个路面的光照均匀度下降, 这在实际 照明工程中是应当尽量避免的。 4 � 结论 从前面的分析可以看出, 路面的光照度分布是 一个复杂的周期函数, 路面上任何一点的光照度都 是整个路面上所有 LED阵列对该点光照度的叠加, 它与 LED阵列本身的光强分布、LED 阵列的高度、 LED阵列之间的间距都有关系。同时, LED阵列本身 的光强分布也影响着阵列间距, 但它又取决于 LED 的阵列形式、阵列中 LED之间的间距、单个 LED的 光强分布。因此, 在实际的道路照明工程中, 应根据 具体的路面照明要求, 选取合适的 LED及 LED的阵 列形式。本文的分析方法和相关公式及关系曲线可以 为 LED的照明工程提供相关依据和参考。 参 考 文 献 [ 1 ] � 白杉. 革命性的 LED 照明 [ J] . 电气时空, 2003, ( 2) : 20~ 21 [ 2 ] � 周太明, 宋贤杰, 周伟. 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