学位论文：窗式照明白光LED平板灯工艺设计

题目：窗式照明白光 LED平板灯工艺设计

院（系） 　　　信息科学与工程学院
专 业 　　　电子科学与技术
届 别 　　　2012届

摘 要
LED改变传统发光方式，将电能直接转化为可见光的固态半导体，已成为光世界的创新，对人类来说是必不可少的绿色技术光革命。目前世界各国越来越重视照明节能及环保问题，作为一种新型的节能、环保的绿色光源产品，LED技术代表了未来照明产业发展的趋势。
本文中的室内照明LED平板灯具采用柱面透镜聚光直接投射技术，无需导光板，出光效率高；采用气流烟囱效应散热，无需金属散热片，成本低重量轻；采用壁挂窗户式结构使室内照明效果可与白天的窗户照明相比拟，体现LED照明节能，绿色、环保的特点。在本文中主要介绍扩散板的运用范围，工作原理，制作及其制作参数的测定。


关键词：LED 扩散板 LED平板灯具 扩散板的模压

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
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略1973字，正式会员可完整阅读）……　
成功蓝光LED，并达到超高亮度，至此红、绿、蓝三原色全部制成，实现了LED全色化，引起了显示技术的革命，超高亮度全真彩显示屏实现了产品化，96年日亚公司在蓝光LED基础上制造出第一只超高亮度白光LED，引起了技术领域的一场革命，也立即引发了LED在照明技术领域的一轮竞争。
1.1 LED发光原理
发光二极管是由p 型和n 型半导体组成的二极管（见图1）。LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导_成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光（见图2）,同时释放出相对应的能量hν(h 为普朗克常数,ν为光子频率)而发光。因此,只要有理想的半导体材料就可以制成各种光色的LED。LED的发光模型（见图3）是发散的。


图1 图2

图3
1.2 LED在室内照明领域内的优势
LED 作为新型、高效、节能、环保的光源，在各种室内室外照明领域，如交通信号指示，夜景照明，城市道路照明等，都得到了广泛的应用。随着LED技术的不断发展与革新，它在室内照明领域内的应用潜能也日益凸显出来。人们开始逐渐利用LED的各项性能优势来设法用其替代传统的室内照明光源，如白炽灯，荧光灯等。LED在室内照明领域内的优势如下：
（1）控制容易。LED亮度和色彩的动态控制容易，能充分满足高档室内饰气氛照明的市场需求。
（2） 和易性好。LED可实现与环境的有机融合，达到只见光不见灯的效果，同时可很方便的实现各种柔性化造型。
（3） 寿命长。散热良好的LED的实际使用寿命为一般光源的几倍甚至几十倍，在需要长时间点亮和维护不方便的场所具有很大优势。
（4） 方向性强。LED具有很强的发光方向性，光通量利用率高，且体积小，易于外观设计和配光分布的控制。
（5）节能环保。LED光束中不含红外线、紫外线，而且发光效率高，耗电量低，特别适用于博物馆、美术馆、珠宝店等专业场所。满足特定物品对展示照明的特殊要求。
（6） 响应时间:白炽灯的响应时间为毫秒级,而LED 的响应时间为纳秒级,因此可以高频操作。
（7）高显色性： 显色性是光源对物体本身颜色呈现的程度。其表征参数为显色指数，值越高，灯光的显色性越好。目前，显色指数高的灯具一般能达到90以上，主要适合于厨房，商品柜台，医院手术台等照明。而目全球几大LED厂商都推出了高显色性的LED产品，如CREE公司的LBR-30TMLED灯显示性高达94，orsram公司以“色光绝配 Brilliant Mi*” 理念推出的显色性为92的Parathom Pro Classic A 80 LED，均可满足办公室和宾馆饭店照明中的显色指数应在80以上的要求。
（8）轻薄化：LED体积小，重量轻，每个单元LED小片是3～5 mm 的正方形，方便LED灯具的设计，使灯具体积灵活多变，空间感最大化．给人更舒适的感觉。本设计的LED平板灯具发光面积为600mm*600mm，厚度仅为8mm，满足了轻薄化的要求。
1.3 LED在室内照明中的应用
目前，中国半导体照明行业发展势头良好，新型的半导体照明产业正在形成。LED行业作为新兴战略性产业，得到国家和地方政府的大力支持。据最新统计，我国照明耗能已占全国总发电量的10%以上，照明节能在我国占有重要位置，实施绿色照明已成为我国十大重点节能工程之一，而我国目前的照明依旧以低效照明为主，节能潜力巨大。LED目前被大量应用于景观照明、户外照明、装饰照明，而LED通用照明的市场仍处于发展阶段。
LED平板灯（如图4所示）是背光技术上过度来的新一代照明产品，早期的产品由于光照度不高，只能作为室内辅助光源、画灯、装饰灯的作用。但随着LED的发光效率的提高、对LED平板灯结构的不断完善和光学膜片技术的提高，LED平板灯越来越收到消费者的青睐，它具有节能、亮度高、无红外线、无紫外线、无辐射、无闪光现象、发光角度宽等优点，可以适用于酒店、会议室、工厂或办公室、商业用途、住宅或者公共设施、学校、医院等需要节能及高显色指数照明的地方。

图4 LED平板灯
1.4 全球LED室内照明发展趋势
LED照明产业潜藏着巨大的经济和社会效益, 世界各国对LED的研发生产都极为重视, 美、日、欧、韩等国家、地区纷纷制定相关政策和规划促进LED产业发展。
如美国以国家力量推动LED照明的发展, 其能源部在2000年就开始启动国家半导体照明研究计划, 即“下一代照明计划”(NGLI)，该计划从2000一2010年, 投资5亿美元,用LED取代55%的白炽灯和荧光灯。
我国也于2003年6月,由科技部联合信产部、教育部、建设部、中科院轻工业联合会等单位成立国家半导体照明工程协调领导小组, 紧急启动国家半导体照明工程，并且近年来陆续启动了国家“十一五”863计划“半导体照明工程重大项目”、“十城万盏半导体照明应用工程”等。
同样，还有日本1998年启动的21世纪光计划，欧盟于2007年7月起实施的彩虹计划，以及中国台湾地区于2002年9月启动的次世纪照明光源开发计划。这些计划的推出, 带动了各国和地区LED研发和投资力度, 推动了半导体照明产业的快速发展[5]。特别的，许多国家和地区的半导体发展计划中均提出了用白光LED替代传统照明的目标，这为LED走入家庭、办公室、酒店等室内普通照明领域，替代白炽灯，荧光灯等低效耗能的照明灯具，提供了政策支持和技术扶持。未来的十年，随着LED配套产业链的进一步完善，LED室内照明将越来越普及。
1.5 窗式照明白光 LED平板灯系统介绍
本设计的目的是对于现有的LED平板灯中存在的出光效率低，散热结构复杂耗材，导光板和整灯制造成本高的问题，提出一种无需导光板、无需铝材散热片、成本低廉、绿色环保、具有自然光照效果的窗式照明白光 LED平板节能灯具。采用窗式结构，是因为可实现多平板组合照明，发光面积大，具有竖直边框，利于采用气体烟囱效应散热，符合采光习惯，模拟自然光，保护视力。其整体结构如下图所示：

1.5.1 无导光板结构的设计
设计中光束不需要经过导光板耦合，而是设计一个柱透镜将光束汇聚后，投射到扩散板出射面上，如下图所示。

1.5.2 无散热片结构的设计
通过研究气体“烟囱效应”的散热原理，将散热管道设计与平板灯竖直边框设计结合，由烟囱效应进行散热。


1.5.3 扩散板
前面板是散射板，它使光线均匀柔和，能够消除眩光和模拟自然光效果。实验中采用自压制的扩散板，材料为PMMA。

1.5.4 柱透镜
本设计柱透镜为条状半圆柱透镜，材料为亚克力板，其为平面的那一面正对LED光源。如图所示：

1.5.5 LED灯条
设计采用贴片式LED灯条，贴在反射槽底部，与柱透镜正对，单颗功率约为90mW。

1.5.6 U型槽
U型反射槽是长条状，内部是一层反射膜，底部开有小孔，是放置LED灯珠的地方。如图所示，柱透镜在U型槽内侧底边，LED灯条在U型槽小孔后面，以保证足够的光线反射。

1.5.7 前后面板
前后两板尺寸相同，前面板为扩散板（前面提到过），后面板上贴有反射膜，用于反射杂散光线。如下图所示：

贴有反射膜的后面板

前面板的扩散效果
1.5.8 窗式照明白光 LED平板灯的优势
（1）无导光板，材料成本和加工成本低。
（2）无金属散热片，进一步节省材料和加工成本。
（3）光损失少，耦合效率高，因此出光效率也高。
（4） 采用壁挂式窗户外形结构， 发光面积大，可大于1平方米。
（5）无导光板、无散热片，重量轻
现有LED平板灯：
（1）需导光板，材料成本和加工成本高。
（2）需金属散热片，材料成本和加工成本高。
（3）光损失大，耦合效率低，因此出光效率也低。
（4） 单平板结构， 发光面积小，小于0.36平方米
（5）需导光板、散热片，重量大。
二、散射原理
2.1 散射现象
. 光线通过有尘土的空气或胶质溶液等媒质时，部分光线向多方面改变方向的现象。叫做光的散射。太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。但散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能，而只是改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。经过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。如果太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气分子，则辐射的波长愈短，被散射愈厉害。其散射能力与波长的对比关系是：对于一定大小的分子来说，散射能力和波长的四次方成反比，这种散射是有选择性的。例如波长为0.7微米时的散射能力为1，波长为0.3微米时的散射能力就为30。因此，太阳辐射通过大气时，由于空气分子散射的结果，波长较短的光被散射得较多。雨后天晴，天空呈青蓝色就是因为辐射中青蓝色波长较短，容易被大气散射的缘故。如果太阳辐射遇到直径比波长大的质点，虽然也被散射，但这种散射是没有选择性的，即辐射的各种波长都同样被散射。如空气中存在较多的尘埃或雾粒，一定范围的长短波都被同样的散射，使天空呈灰白色的。有时为了区别有选择性的散射和没有选择性的散射，将前者称为散射，后者称为漫射。
2.2 散射机制的多样性
一定向光束经介质传播而向四面方散开的现象，统称为散射。其实，引起光散射的机制是多种多样的，这是因为，散射的生成及其特点与介质不均匀性的尺度有着密切的关系，按介质尺度的不同，光的散射可分为两大类：分子散射和微粒散射。
（1）分子散射：介质中的原子或分子其内含的电子，在外来光波的电磁场作用下，作同频率的受迫振动而形成一个偶极振子，这些偶极振子作为一个个新波源或亦可称其为次波源，向四周发射次波 ……（未完，全文共30811字，当前仅显示5542字，请阅读下面提示信息。收藏《学位论文：窗式照明白光LED平板灯工艺设计》）