學(xué)位論文：窗式照明白光LED平板燈工藝設(shè)計

題目：窗式照明白光 LED平板燈工藝設(shè)計

院（系） 　　　信息科學(xué)與工程學(xué)院
專 業(yè) 　　　電子科學(xué)與技術(shù)
屆 別 　　　2012屆

摘 要
LED改變傳統(tǒng)發(fā)光方式，將電能直接轉(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)半導(dǎo)體，已成為光世界的創(chuàng)新，對人類來說是必不可少的綠色技術(shù)光革命。目前世界各國越來越重視照明節(jié)能及環(huán)保問題，作為一種新型的節(jié)能、環(huán)保的綠色光源產(chǎn)品，LED技術(shù)代表了未來照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢。
本文中的室內(nèi)照明LED平板燈具采用柱面透鏡聚光直接投射技術(shù)，無需導(dǎo)光板，出光效率高；采用氣流煙囪效應(yīng)散熱，無需金屬散熱片，成本低重量輕；采用壁掛窗戶式結(jié)構(gòu)使室內(nèi)照明效果可與白天的窗戶照明相比擬，體現(xiàn)LED照明節(jié)能，綠色、環(huán)保的特點(diǎn)。在本文中主要介紹擴(kuò)散板的運(yùn)用范圍，工作原理，制作及其制作參數(shù)的測定。


關(guān)鍵詞：LED 擴(kuò)散板 LED平板燈具 擴(kuò)散板的模壓

ABSTRACT
The LED is a solid-state semiconductor which change the traditional light, conversion
electrical energy directly into visible light.It has become innovation in the light world and,is essential to green light revolution for humans. In most countries, more and more attention to lighting, energy saving and environmental protection issues, as a new energy-efficient, environmentally friendly green light, the LED technology represents the future trend of lighting industry.
In this article indoor lighting LED panel lights use direct projection technology with the cylindrical lens condenser , without a light guide plate, out of the light high efficiency, airflow chimney effect cooling, without the metal heat sink, low cost, light weight;and use the structure of wall windows make the indoor light
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成功藍(lán)光LED，并達(dá)到超高亮度，至此紅、綠、藍(lán)三原色全部制成，實(shí)現(xiàn)了LED全色化，引起了顯示技術(shù)的革命，超高亮度全真彩顯示屏實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，96年日亞公司在藍(lán)光LED基礎(chǔ)上制造出第一只超高亮度白光LED，引起了技術(shù)領(lǐng)域的一場革命，也立即引發(fā)了LED在照明技術(shù)領(lǐng)域的一輪競爭。
1.1 LED發(fā)光原理
發(fā)光二極管是由p 型和n 型半導(dǎo)體組成的二極管（見圖1）。LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導(dǎo)_成的，其核心是PN結(jié)。因此它具有一般P-N結(jié)的I-N特性，即正向?qū)ǎ聪蚪刂�、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光（見圖2）,同時釋放出相對應(yīng)的能量hν(h 為普朗克常數(shù),ν為光子頻率)而發(fā)光。因此,只要有理想的半導(dǎo)體材料就可以制成各種光色的LED。LED的發(fā)光模型（見圖3）是發(fā)散的。


圖1 圖2

圖3
1.2 LED在室內(nèi)照明領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)勢
LED 作為新型、高效、節(jié)能、環(huán)保的光源，在各種室內(nèi)室外照明領(lǐng)域，如交通信號指示，夜景照明，城市道路照明等，都得到了廣泛的應(yīng)用。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展與革新，它在室內(nèi)照明領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用潛能也日益凸顯出來。人們開始逐漸利用LED的各項(xiàng)性能優(yōu)勢來設(shè)法用其替代傳統(tǒng)的室內(nèi)照明光源，如白熾燈，熒光燈等。LED在室內(nèi)照明領(lǐng)域內(nèi)的優(yōu)勢如下：
（1）控制容易。LED亮度和色彩的動態(tài)控制容易，能充分滿足高檔室內(nèi)飾氣氛照明的市場需求。
（2） 和易性好。LED可實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的有機(jī)融合，達(dá)到只見光不見燈的效果，同時可很方便的實(shí)現(xiàn)各種柔性化造型。
（3） 壽命長。散熱良好的LED的實(shí)際使用壽命為一般光源的幾倍甚至幾十倍，在需要長時間點(diǎn)亮和維護(hù)不方便的場所具有很大優(yōu)勢。
（4） 方向性強(qiáng)。LED具有很強(qiáng)的發(fā)光方向性，光通量利用率高，且體積小，易于外觀設(shè)計和配光分布的控制。
（5）節(jié)能環(huán)保。LED光束中不含紅外線、紫外線，而且發(fā)光效率高，耗電量低，特別適用于博物館、美術(shù)館、珠寶店等專業(yè)場所。滿足特定物品對展示照明的特殊要求。
（6） 響應(yīng)時間:白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級,而LED 的響應(yīng)時間為納秒級,因此可以高頻操作。
（7）高顯色性： 顯色性是光源對物體本身顏色呈現(xiàn)的程度。其表征參數(shù)為顯色指數(shù)，值越高，燈光的顯色性越好。目前，顯色指數(shù)高的燈具一般能達(dá)到90以上，主要適合于廚房，商品柜臺，醫(yī)院手術(shù)臺等照明。而目全球幾大LED廠商都推出了高顯色性的LED產(chǎn)品，如CREE公司的LBR-30TMLED燈顯示性高達(dá)94，orsram公司以“色光絕配 Brilliant Mi*” 理念推出的顯色性為92的Parathom Pro Classic A 80 LED，均可滿足辦公室和賓館飯店照明中的顯色指數(shù)應(yīng)在80以上的要求。
（8）輕薄化：LED體積小，重量輕，每個單元LED小片是3～5 mm 的正方形，方便LED燈具的設(shè)計，使燈具體積靈活多變，空間感最大化．給人更舒適的感覺。本設(shè)計的LED平板燈具發(fā)光面積為600mm*600mm，厚度僅為8mm，滿足了輕薄化的要求。
1.3 LED在室內(nèi)照明中的應(yīng)用
目前，中國半導(dǎo)體照明行業(yè)發(fā)展勢頭良好，新型的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)正在形成。LED行業(yè)作為新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，得到國家和地方政府的大力支持。據(jù)最新統(tǒng)計，我國照明耗能已占全國總發(fā)電量的10%以上，照明節(jié)能在我國占有重要位置，實(shí)施綠色照明已成為我國十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一，而我國目前的照明依舊以低效照明為主，節(jié)能潛力巨大。LED目前被大量應(yīng)用于景觀照明、戶外照明、裝飾照明，而LED通用照明的市場仍處于發(fā)展階段。
LED平板燈（如圖4所示）是背光技術(shù)上過度來的新一代照明產(chǎn)品，早期的產(chǎn)品由于光照度不高，只能作為室內(nèi)輔助光源、畫燈、裝飾燈的作用。但隨著LED的發(fā)光效率的提高、對LED平板燈結(jié)構(gòu)的不斷完善和光學(xué)膜片技術(shù)的提高，LED平板燈越來越收到消費(fèi)者的青睞，它具有節(jié)能、亮度高、無紅外線、無紫外線、無輻射、無閃光現(xiàn)象、發(fā)光角度寬等優(yōu)點(diǎn)，可以適用于酒店、會議室、工廠或辦公室、商業(yè)用途、住宅或者公共設(shè)施、學(xué)校、醫(yī)院等需要節(jié)能及高顯色指數(shù)照明的地方。

圖4 LED平板燈
1.4 全球LED室內(nèi)照明發(fā)展趨勢
LED照明產(chǎn)業(yè)潛藏著巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益, 世界各國對LED的研發(fā)生產(chǎn)都極為重視, 美、日、歐、韓等國家、地區(qū)紛紛制定相關(guān)政策和規(guī)劃促進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
如美國以國家力量推動LED照明的發(fā)展, 其能源部在2000年就開始啟動國家半導(dǎo)體照明研究計劃, 即“下一代照明計劃”(NGLI)，該計劃從2000一2010年, 投資5億美元,用LED取代55%的白熾燈和熒光燈。
我國也于2003年6月,由科技部聯(lián)合信產(chǎn)部、教育部、建設(shè)部、中科院輕工業(yè)聯(lián)合會等單位成立國家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組, 緊急啟動國家半導(dǎo)體照明工程，并且近年來陸續(xù)啟動了國家“十一五”863計劃“半導(dǎo)體照明工程重大項(xiàng)目”、“十城萬盞半導(dǎo)體照明應(yīng)用工程”等。
同樣，還有日本1998年啟動的21世紀(jì)光計劃，歐盟于2007年7月起實(shí)施的彩虹計劃，以及中國臺灣地區(qū)于2002年9月啟動的次世紀(jì)照明光源開發(fā)計劃。這些計劃的推出, 帶動了各國和地區(qū)LED研發(fā)和投資力度, 推動了半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[5]。特別的，許多國家和地區(qū)的半導(dǎo)體發(fā)展計劃中均提出了用白光LED替代傳統(tǒng)照明的目標(biāo)，這為LED走入家庭、辦公室、酒店等室內(nèi)普通照明領(lǐng)域，替代白熾燈，熒光燈等低效耗能的照明燈具，提供了政策支持和技術(shù)扶持。未來的十年，隨著LED配套產(chǎn)業(yè)鏈的進(jìn)一步完善，LED室內(nèi)照明將越來越普及。
1.5 窗式照明白光 LED平板燈系統(tǒng)介紹
本設(shè)計的目的是對于現(xiàn)有的LED平板燈中存在的出光效率低，散熱結(jié)構(gòu)復(fù)雜耗材，導(dǎo)光板和整燈制造成本高的問題，提出一種無需導(dǎo)光板、無需鋁材散熱片、成本低廉、綠色環(huán)保、具有自然光照效果的窗式照明白光 LED平板節(jié)能燈具。采用窗式結(jié)構(gòu)，是因?yàn)榭蓪?shí)現(xiàn)多平板組合照明，發(fā)光面積大，具有豎直邊框，利于采用氣體煙囪效應(yīng)散熱，符合采光習(xí)慣，模擬自然光，保護(hù)視力。其整體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

1.5.1 無導(dǎo)光板結(jié)構(gòu)的設(shè)計
設(shè)計中光束不需要經(jīng)過導(dǎo)光板耦合，而是設(shè)計一個柱透鏡將光束匯聚后，投射到擴(kuò)散板出射面上，如下圖所示。

1.5.2 無散熱片結(jié)構(gòu)的設(shè)計
通過研究氣體“煙囪效應(yīng)”的散熱原理，將散熱管道設(shè)計與平板燈豎直邊框設(shè)計結(jié)合，由煙囪效應(yīng)進(jìn)行散熱。


1.5.3 擴(kuò)散板
前面板是散射板，它使光線均勻柔和，能夠消除眩光和模擬自然光效果。實(shí)驗(yàn)中采用自壓制的擴(kuò)散板，材料為PMMA。

1.5.4 柱透鏡
本設(shè)計柱透鏡為條狀半圓柱透鏡，材料為亞克力板，其為平面的那一面正對LED光源。如圖所示：

1.5.5 LED燈條
設(shè)計采用貼片式LED燈條，貼在反射槽底部，與柱透鏡正對，單顆功率約為90mW。

1.5.6 U型槽
U型反射槽是長條狀，內(nèi)部是一層反射膜，底部開有小孔，是放置LED燈珠的地方。如圖所示，柱透鏡在U型槽內(nèi)側(cè)底邊，LED燈條在U型槽小孔后面，以保證足夠的光線反射。

1.5.7 前后面板
前后兩板尺寸相同，前面板為擴(kuò)散板（前面提到過），后面板上貼有反射膜，用于反射雜散光線。如下圖所示：

貼有反射膜的后面板

前面板的擴(kuò)散效果
1.5.8 窗式照明白光 LED平板燈的優(yōu)勢
（1）無導(dǎo)光板，材料成本和加工成本低。
（2）無金屬散熱片，進(jìn)一步節(jié)省材料和加工成本。
（3）光損失少，耦合效率高，因此出光效率也高。
（4） 采用壁掛式窗戶外形結(jié)構(gòu)， 發(fā)光面積大，可大于1平方米。
（5）無導(dǎo)光板、無散熱片，重量輕
現(xiàn)有LED平板燈：
（1）需導(dǎo)光板，材料成本和加工成本高。
（2）需金屬散熱片，材料成本和加工成本高。
（3）光損失大，耦合效率低，因此出光效率也低。
（4） 單平板結(jié)構(gòu)， 發(fā)光面積小，小于0.36平方米
（5）需導(dǎo)光板、散熱片，重量大。
二、散射原理
2.1 散射現(xiàn)象
. 光線通過有塵土的空氣或膠質(zhì)溶液等媒質(zhì)時，部分光線向多方面改變方向的現(xiàn)象。叫做光的散射。太陽輻射通過大氣時遇到空氣分子、塵粒、云滴等質(zhì)點(diǎn)時，都要發(fā)生散射。但散射并不象吸收那樣把輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮�，而只是改變輻射方向，使太陽輻射以質(zhì)點(diǎn)為中心向四面八方傳播開來。經(jīng)過散射之后，有一部分太陽輻射就到不了地面。如果太陽輻射遇到的是直徑比波長小的空氣分子，則輻射的波長愈短，被散射愈厲害。其散射能力與波長的對比關(guān)系是：對于一定大小的分子來說，散射能力和波長的四次方成反比，這種散射是有選擇性的。例如波長為0.7微米時的散射能力為1，波長為0.3微米時的散射能力就為30。因此，太陽輻射通過大氣時，由于空氣分子散射的結(jié)果，波長較短的光被散射得較多。雨后天晴，天空呈青藍(lán)色就是因?yàn)檩椛渲星嗨{(lán)色波長較短，容易被大氣散射的緣故。如果太陽輻射遇到直徑比波長大的質(zhì)點(diǎn)，雖然也被散射，但這種散射是沒有選擇性的，即輻射的各種波長都同樣被散射。如空氣中存在較多的塵�；蜢F粒，一定范圍的長短波都被同樣的散射，使天空呈灰白色的。有時為了區(qū)別有選擇性的散射和沒有選擇性的散射，將前者稱為散射，后者稱為漫射。
2.2 散射機(jī)制的多樣性
一定向光束經(jīng)介質(zhì)傳播而向四面方散開的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為散射。其實(shí)，引起光散射的機(jī)制是多種多樣的，這是因?yàn)�，散射的生成及其特點(diǎn)與介質(zhì)不均勻性的尺度有著密切的關(guān)系，按介質(zhì)尺度的不同，光的散射可分為兩大類：分子散射和微粒散射。
（1）分子散射：介質(zhì)中的原子或分子其內(nèi)含的電子，在外來光波的電磁場作用下，作同頻率的受迫振動而形成一個偶極振子，這些偶極振子作為一個個新波源或亦可稱其為次波源，向四周發(fā)射次波 ……（未完，全文共30811字，當(dāng)前僅顯示5542字，請閱讀下面提示信息。收藏《學(xué)位論文：窗式照明白光LED平板燈工藝設(shè)計》）