白光高功率led做自行车前置灯--毕业设计

1、本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文） 基于基于 LED 光源新型自行车前置灯的设计光源新型自行车前置灯的设计学学 院院 专专 业业 年级班别年级班别 学学 号号 学生姓名学生姓名 李大仁李大仁 指导教师指导教师 2013 年年 5 月月基基于于LEDLED光光源源新新型型自自行行车车前前置置灯灯的的设设计计李李大大仁仁 物物理理与与光光电电工工程程学学院院摘摘 要要近年来，由于新型 LED 的高速发展，使 LED 的优点能在更多的领域得到充分的发展。本论文以高功率冷白光 LED 为光源，设计高安全性的自行车前置灯。我们以欧洲的法规 StVZO 和 ECE 法規设计考量，设计步骤基本如下：首

2、先建立光源之光学模型并验证之；其次建立反光杯及其他光学模型用于设计前置等的光型目标是符合 10m 的欧规。本文利用成熟的光学软件 tracepro 进行设计，考虑到自行车的缘故，我们尽量设计出尺寸微小的自行车前置灯。关键词：关键词：自行车前置灯，led，光学设计，tracepro，solidworks 注：本论文题目来源于教师的企业项目，项目编号为：AbstractIn recent years, due to the high speed development of new type of LED, the LED can be in more areas of the advantage

3、s of fully development. This paper for high power white LED cold light source, high security bicycle front lamp design. StVZO and ECE with our European regulations for the design, basic design steps are as follows: the first light source of the optical model and validation; Second reflective cup and

4、 other optical model type used in the design front light target is accord with 10 m of the rules. In this paper, using the optical software tracepro design, considering the bikes sake, we try to design a tiny size of bicycle front lamp.Keywords: Bicycle front lamp, led，optical design, tracepro , sol

5、idworks目目 录录1 绪论绪论.11.1 题目背景.11.2 国内外研究状况.31.3 题目研究方法.51.4 论文构成及研究内容.82 设计过程设计过程.92.1 设计要求.92.2 光源模型建立.112.2 设计基本思路.142.3 基本结构设计.152.4 结构微型化和结构整合.183 结果与讨论结果与讨论.223.1 3D 模型整合与光强分析.22结论结论.24参考文献参考文献.26致致 谢谢.2701 1 绪论绪论十九世纪以来，随著固态物理的发展，人类利用半导体材料製造出了新的光源。1993 年日亚化学公司率先在蓝色 GaN LED 技 术上突破1并很快产业化，进而于 1996

6、年实现白光 LED，1998 年推上市场引起了业内外人士极大的关注。白光 LED 有许多优点体现在新材料、新工艺上独树一帜，其最大的吸引力和期望是作为第四代照明光源有庞大的照明市场和显著节能前景。早期的 LED，由于单颗的光输出功率极低，应用多侷限于信号指示。而现今，由于高功率 LED 的开发，光源所能提供的光通量大为提升，才使得 LED 广泛地应用在显示与照明上。在照明与显示之用途上，白光光源佔有其重要地位。而利用 LED 来产生白光的方式有相当多种，常见的三种方式为蓝光晶片上覆盖黄色（Y）萤光粉、紫外光（UV）晶片上覆盖红（R） 、绿（G） 、蓝（B）三种萤光粉以及红、绿、蓝三种晶片混光而

7、成。近年来，高功率白光 LED 的效率已远超出预测的速度成长，为了因应环境保护与能源危机之课题，许多国家已规定于 2012 年起，不得再使用白炽灯泡。同时，高功率 LED 在自行车灯的运用上也有很显著的优势。因此现在很多国家规定必须得在自行车上安装前置灯才能上路，并且许多国家规定了关于自行车灯的法规。1.11.1 题目背景题目背景照明的好坏，对于视力健康以及个人的心情影响甚大，现实的经验验证了工作环境的照明好坏和工作间有着相当大的关系，好的照明系统可以有效地提高产量和质量。良好的照明以为这在合适的位置要有充足的照明，以骑自行车是的照明来说，必须达到提供骑行者清楚的路况照明，又不至于影响对向来车

8、的骑行者的视线的要求，让骑行者能够做出准确的判断。虽然现在大多数的路段都又路灯设置，但是对于一些山地自行车爱好者来说，路灯所提供的亮度显然是不符需求的，又因为车距与路况的关系，也常造成照明的死角，因此无法提供骑车的安全照明， 。此外，在完全没有夜间照明的路段，自行车所使用的照明设备，相比之下更为之重要。近年来在自行车使用的照明设备上，已经有相当大的突破，不仅提供骑行者的一个安全的行车环境，也保障了行路人和其他人的人身安全。除此之外，更订定了相关法规，对于自行车灯的光型与亮度有了明确的规范，自行车前置灯的最主要功能固然是使骑行者能看清楚前方的路况，并即时反应，1如此一来，前置灯照明必须具备投射距

9、离以及亮度足够的两项前提。要满足这两者，当然需要更大功率的照明设备。使用传统的灯泡，其耗电量以及发光效率是个大问题。然而新型的 LED 灯运用在自行车灯照明设备中，正朝省电、高发光效率、长寿命等方向改进。现今的高功率白光 LED 产品，单颗光源所能提供之光通量已足够做为自行车前灯之光源。另外，LED 亦具有许多适合应用于自行车前灯等户外照明之优势，以下我们便就其优势进行详细分析与说明。1.发光效率高 于户外使用之灯具，因为电源取得不易，尤其自行车并无供电设备，需以电池为电源，故若能有效地将能量转换成光能，即可减少电池的使用量，以减轻携带上的负担。LED 之发光效率高，使用时以较低的电功率即可达

10、到照明之要求，相对来说，便能增加电池之续航力，而不需要携带大量的电池。2.生命週期长 在户外使用照明设备时，若光源因使用寿命衰退或损坏，此时更换用之光源并不易及时取得，然而于某些户外环境下，失去照明可能会对安全造成影响。品质良好的LED 寿命应可高于两万小时，部分生产商更声称其产品可达到五万小时的生命週期。所以户外照明若以 LED 为光源，将可大幅降低因光源之使用寿命终止的机率出现，户外安全便可获得更高的保障。3.光源稳定 使用于户外的灯具，需要有能承受严苛的气候变化与外力不当衝击之能力。LED之操作温度可低-40oC，在寒冷的寒带地区仍能维持发光效率，经过良好封装的 LED光源也可受高湿度的

11、环境。现今 LED 多以环氧树脂或硅胶包覆，可承受较剧烈的震动与碰撞，在户外使用上，远优于其他玻璃外壳的灯源。4.低操作电压 LED 晶片的操作电压一般大约在三至四伏特，户外灯具多以电池为电源，然而电池之电压较低，以 LED 为光源可简化电路，且较易设计为可携带式的光源，如自行车前灯等。5.尺寸微小 相较于其他体积较大的光源，封装完成之 LED 光源，尺寸仍相当微小，光学机构的尺寸便可大幅缩小。如此，一方面可降低灯具成本，另一方面也可增加灯具的可携2带性。6.不易磨损由于传统式的前灯光源之外罩都是用玻璃制品，不能受到剧烈的摇晃和撞击；LED 是采用环氧树脂的方式方式，无易碎的材料结构，可以禁得

12、住震动、挤压、可信赖度高。7.指向性高钨丝灯泡或者是卤素灯泡灯传统光源，光线是由四面八方辐射出去的。为了将光线照在需要的物体上，必须使用二次光学来引导光线到正确的方向上，这造成一定能量上的损失。LED 的指向性高，可以降低因为二次光学所造成的损失，同时减少光害。另外，LED 灯还有很多优点，并不仅仅局限于户外照明，如不含有汞的环保特性，和非玻璃材质的安全性等。但是在我前面提到的高功率白光 LED 中，大多数以蓝色晶片加上黄色荧光粉的形式为主，由于激发光源为蓝色晶片，姑琪频谱强度大多落在短波长，属于冷色系白光。高功率白光 LED 色温大约界为 4500K8000K 之间，属于高色温偏蓝光；而卤素

13、灯泡频谱大多落在长波长，其色温约在 3000K3200K，属于低色温偏橙色；然而太多的蓝光对于眼睛来说并不是一件好事情。由于短波长的光线对眼睛会产生眩光的影响，在夜间行驶时驾驶有可能因为被对向来的车的光线影响，产生不适的感觉。倘然将来 LED 真的成为自行车前置等的光源，所产生的影响绝对值得我们注意与观察。1.21.2 国内外研究状况国内外研究状况实际上早在 1907 年，人类就发现了半导体材料通电可以发光现象，不过真正商用的 LED 是在上世纪 60 年代，当时 LED 由半导体材料 GaAsP 制成，发红光。在整个上世纪 60、70 年代，LED 的发光效率非常低，而且不能激发非常重要的原

14、色蓝色。在此阶段，LED 主要应用于各种昂贵的设备，作为信号指示灯。进入 20 世纪 90 年代，随着氮化物 LED 的发明，LED 的发光效率有了质的飞跃，而组成白光的重要原色也在 1993 年由日本著名的 LED 企业日亚化学的中村修二发明。这样整个可见光领域的单色 LED 已经完整，能够满足各种单色发光应用场所。影响 LED 产业最重大的变化，是大功率的白光 LED 的发明。自 1997 年白光 LED3发明后，专家对白光 LED 进入普通照明领域的可能进行了研究。大功率 LED 是指 1W以上的 LED 产品，属于新一代的半导体照明技术，具有高亮度、功耗低、以控制等特点，他是代替现有照

15、明设备的产品。开发大功率白光 LED 产品除了需要高亮度的芯片外，还需要在大功率 LED 器件封装上实现突破，解决一系列技术上的难题，目前国外已经研制出 5WLED 器件样管，1WLED 已经实现小批量的生产。国内部分企业也试研制 1WLED 器件，但还不具备批量生产的能力。正是在这种背景下，美国、日本、欧洲及韩国都制定了相应的国家半导体照明计划。例如日本仔 1998 年的世界领先开展“31 世纪照明”计划，旨在通过使用长寿命、更薄更轻的 GaN 高效率蓝光和紫外 LED技术使得照明的能量效率提高为传统的荧光灯的两倍，同时减少 CO2 的超声，并在2006 年完成 LED 替代 50 的传统照

16、明。整个计划的财政预算为 60 亿日元。从 1998-2002，耗资 50 亿日元的第一期目标，目前计划已经完成。接着，日本实施第二期计划，计划在 201.年 LED 发光效率达到 120lm/W。表表 1-1 市售高功率白光市售高功率白光 LED 于于 350mA 驱动下的发光效率驱动下的发光效率生产商Philips LumiledsOSRAMCree型号LUXEON RrbelGolden DRAGON PlusXLamp XR-E效率（lm/W）100105107相关色温 CCT（K）4500-1000065005000-10000此外，我们亦可由表 1-1 看到高功率白光 LED 在

17、1 W 电功率的操作下，效率已可超越大部分普通光源，而由于效率的提高，LED 于照明或显示用光源之应用上快速增加。再者，为了因应环境保护与能源危机之课题，许多国家已规定于 2012 年起，不得再使用白炽灯泡。因此，从 LED 的发展趋势以及 LED 本身具有之众多优点可知，其将会是未来的取代光源中之重要选择。作为目前全球最受瞩目的新一代光源，LED 因其高亮度、低热量、长寿命、无毒、可回收再利用等优点，被称为是 21 世纪最有发展前景的绿色照明光源。我国的 LED产业起步于 20 世纪 70 年代，经过近 40 年的发展，现已形成上海、大连、南昌、厦门、深圳、扬州和石家庄 7 个国家半导体照明

18、工程产业化基地，产品广泛应用于景观照明和普通照明领域，我国已成为世界第一大照明电器生产国和第二大照明电器出口国。然而，LED 产业研究机构-集邦 LED 中国在线的一份统计数据显示，截至 2009年底，我国共有 LED 企业 3000 余家，其中，年产值上亿的只有 140 家。然而，在这4140 家企业中，没有一家企业的产品年销售额超过 10 亿元，超过 5 亿元的也只有少数几家，大部分在 1 亿元至 2 亿元之间。可见，虽然我国 LED 企业数量较多，但规模普遍偏小。记者在国内随机选择了一家 LED 企业进行采访。广东东莞勤上光电股份有限公司（下称勤上光电）创建于 1993 年，是国内较早从

19、事 LED 产品生产的企业，并与清华大学共同组建了 LED 照明技术研究院，国内许多项目如国家大剧院照明、北京绿色奥运道路照明、上海 F1 赛车场照明、清华大学奥运场馆照明等都出自该企业。然而，就是这样一家国内 LED 产业发展的“探路者”，在遭遇日本、美国、德国的专利“围堵”时，也不得不绕道以避之。“勤上光电的研发主要集中在下游的应用领域，在上、中游的研发投入相对较少。这主要是因为，国外大公司和我国台湾的一些企业已经垄断了大部分 LED 核心技术，国内企业只能把目光转向技术含量较低的下游应用市场。 ”勤上光电知识产权专员万伟在中国知识产权报记者采访时，对国内 LED 企业的现状直言不讳。据记

20、者了解，目前全球已初步形成以亚洲、北美、欧洲三大区域为中心的产业格局，以日本的日亚化工、丰田合成，美国的克里、通用电器和德国的欧司朗为专利核心的技术竞争格局。美、日企业在外延片、芯片技术、设备方面具有垄断优势，欧洲企业在应用技术领域优势突出，而我国的 LED 还处于较低端的水平，80%左右的产品集中在景观照明、交通信号灯等应用市场，在汽车照明、大屏幕等高端产品方面涉及的比较少。1.31.3 题目研究方法题目研究方法在常见的光学系统设计中，无论是非成像光学或是成像光学，几何光学是最基本也是最常用的设计理论。我们只觉得将光想成一条一条光线，并且粗略的定义光线的路径与能量传递，光线与界面之间穿透或是

21、反射的相互关系。当光反射于一个光滑平面时，它必须遵守反射定论；当光穿透界面时，就是从一个介质进入另一个介质，光的行进方向的改变会遵守折射定律。在光学系统设计与分析中有一个很重要的部分，探究光线从进入系统之后，随着光的轨迹分析光线于系统之间折射与反射的相互广西，就是一般提到的光线追迹。在设计光学系统时，Etendue 也是一个不可不考虑的光学量，要如何有效地利用光5的能量与发散的角度，各个元件之间的相互关系，Etendue 可以说是占了相当大的份量。除此之外，光学系统输出的光型能量的分析与管理与照明光学有密不可分的关系。灯罩的初始设计，经过精确的估算后，可得到初步的大致结果，并找出设计的正确方向

22、，对于整个设计来说，有事半功倍的效果。下面我们将在下面的章节更加详尽的介绍。首先解释一下光的折射定律与反射定律，当光线入射到界面时，一部分光从界面上反射，形成反射线。入射线与入射点处界面的法线所构成的平面称为入射面。法线和入射线及反射线所构成的角度和分别称为入射角和反射角。入射光线除了部分11被反射外，其余部分将进入第二种介质，形成折射线。折射线与界面法线的夹角 2 称为折射角。反射定律指出，反射线的方向遵从： 反射线和入射线位于同一平面(即入射面)内，并分别处在法线的两侧 反射角等于入射角，即 （式 1.1）11折射定律(refractive index)指出，折射线的方向满足： 折射线位于

23、入射面内，并和入射线分别处在法线的两侧； 对单色光而言，入射角 1 的正弦和折射角 2 的正弦之比是一个常数，即 （式 1.2）21211221sinsinnvvnn6式中，比例常数称为第二介质相对于第介质的相对折射率。它与光波的波21n长及界面两侧介质的性质有关，而与入射角无关。就如刚刚所介绍的，除了几何光学重要外，光的特性也是非常重要的。所以我们下面介绍下几个基本的光学量。首先我们要先知道什么时光度学。照明光学的设计中，人眼实际看到的照明效果才是最重要的，光度学即是对于人眼视觉效应的研究理论。光度学与辐射学(Radiometry)的差异，在于光度学考量了人眼对于不同波长的光有不同的响应，而

24、辐射学仅计算光的实际能量。人眼对于光频谱之响应函数称为视效函数（Spectral luminous efficiency function） ，光度学的计算便是评量光在人眼视觉上的强弱，所以照明光学的设计皆以光度学单位为标准。光通量在光度学中，光通量明确的被定义为能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的度量。辐射通量以光谱光视函数（即视见函数，见可见光）为权重因子的对应量。）（V设波长为 的光的辐射通量为。对应的光通量为）（e）（e)()(emVK式中为比例系数，是波长为 5550 埃的光谱光视效能，也叫最大光谱光视效能，mK由和的单位决定。光通量的 SI 单位为流明，=683 流

25、明/瓦。复色光的光通量需evmK对所有波长的光通量求和。发光强度点光源在某方向上单位立体角内的光通量，记作，即。发光强度的 SIvIddIvv单位为坎德拉，是光度学中的基本单位，1979 年第十六届国际大会通过的坎德拉的定义为：坎德拉是发出频率为 5401012 赫兹的单色辐射源在给定方向上的发光强度，该方向上的辐射强度为 1/683 瓦/球面度。光亮度它表示单位面积上发光强度。辐射亮度的光度学对应量，其定义为：cos)(ldsdivv式中为面光源上的面积元， 为面元法线与观察方向间的夹角，是面元在观dsdiv察方向的发光强度。光亮度的 SI 单位为坎德拉/米 2。光亮度的其他常用单位有熙提和

26、7朗伯，1 熙提=104 坎德拉/米 2，1 朗伯=104/ 坎德拉/米 2。光亮度一般随观察方向而变，若一辐射体的光亮度是与方向无关的常量，则其发光强度与成正比，此规律cos称为朗伯定律，这种辐射体称为朗伯辐射体或余弦辐射体。黑体是理想的余弦辐射体。光照度英文名称：illuminance 单位受照面积上接收到的光通量，单位为 ，称勒克斯()。发光强度为 12mlmlx的点光源在离光源的距离为 r 处的照度为:式中 i 为光沿 r 方向射到受lmcosir2vv）（IE 照面时的入射角（与表面法线夹角） 。入射光垂直入射时， ，此即0cosi 2vrIEV光照度的平方反比律。光出射度光出射度是

27、表征光源自身性质的一个物理量。光源的光通量除以光源的面积就得到光源的光出射度值。光出射度用 lm/表示，但与照度测试和 lux 不同，光出射度中的面积是指光源的面积，而不是被照射的面积。平板发射会测试该值。 1.41.4 论文构成及研究内容论文构成及研究内容论文构成：中文摘要、英文摘要、绪论、光学设计、结果讨论与分析、参考文献研究内容：基于高功率白光 LED 的自行车前置灯光学设计82 2 设计过程设计过程2.12.1 设计要求设计要求近年来，能源危机的问题与运动休閒风气盛行，导致骑乘自行车的人口急速上升，因此攸关行车安全性的自行车照明系统变得更加重要。长期以来，欧洲一直是自行车交通发达的地区

28、，对于自行车的行车安全较为重视，车辆的安全灯光与警示配件等皆有完善的法规范，且车灯的光形需在正确的设计下，才能有足够的照明且不会对交通安全造成威胁。因此，在本论文中，我们便以欧洲的法规为依据，针对高功率的白光LED，设计高安全性的自行车前灯。 在本章中，首先介绍一种欧洲常用的自行车前灯法规，德国 StVZO 法规（Economic Commission for Europe） ，并且採用不论在中心照度、截止区域、光形水平延展面与远处地面的照射等量测，皆有严格规定的德国StVZO 规范，来进行微型化自行车前灯之设计与分析。在 K-mark 的 StVZO 22A No. 23 规范中，定义检测面

29、为距离灯具 10 公尺处之垂直面，如图 2-1 所示。而图 2-2 为规范检测面上各量测点位置之示意图。欧洲自行车前灯法规介绍德国 StVZO 法规，其标志为英文大写字母 K，故又称为 K-mark。在此法规中，对自行车前灯的光形所制定之规范为 StVZO 22A No.23。图 2-1 前置灯模拟图9图 2-2 为 K-mark 效果图光源距量测点为 10M 距离，中心亮点称为 HV，最亮点称为 Emax HV 10Lux，Emax HV/2，HV 往下 5 1.5 lx ，HV 往下 5 后, 再往左往右 4 lx 以上是德国法规对光型的要求。在这边要做一说明就是点 A 2 Lux 就是要

30、做到明暗截止线，防止车灯影响到对向车友的视线。Emax 的规定就是防止单一点的光束过于集中。其他各点的规范，是为了让光束可以均匀分布。所以德规车灯最难设计的部分有两个，明暗截止线与光束均匀分布。在 E-mark 的 Regulation No. 113 规范中，定义检测面为距离灯具 25 公尺处之垂直平面，并且规定其车灯光形，在视觉上需有一明显的水平截止线。图 2-3，为规范检测面上各量测点位置之示意图。10图 2-3 为 E-mark 效果图同样地，为了符合 E-mark 的 Regulation No. 113 规范，于开始量测之前，须先将光形进行水平调整，也就是使光形水平对称于 V-V

31、线。然后，再进行垂直调整，垂直调整的方式与 K-mark 不同，此时需将光形的水平截止线位置对准在低于 H-H 线 25 公分之 cut-off 线处。 接下来，我们将 E-mark 的 Regulation No. 113 规范所制定的需求，利用图 2-3进行以下的说明。 1. 截止区，为 H-H 线以上的区域。此区之照度不得超过 0.32 lx。 2. 主亮区，为低于 H-H 线 75 公分，并于 V-V 线左右各延伸 225 公分的区域，即从25L 点至 25R 点之间的区域。此区之照度需高于 1.28 lx。 3. 路面照射，为低于 H-H 线 150 公分，并于 V-V 线左右各延伸

32、 225 公分的区域，即从 12.5L 点至 25R 点之间的区域。此区之照度需高于 0.64 lx。 将 E-mark 之法规与 K-mark 做比较，可看出 E-mark 之规范较 K-mark 简易许多，而且光形的垂直高度亦较为狭窄。因此在我们的设计中，将先以较为严苛的 K-mark 规范为标准，再分析如何同时达到 E-mark 法规之要求。2.22.2 光源模型建立光源模型建立在开始灯具设计之前，我们必须先针对灯具之光源进行建模与分析，本论文所提及的光源皆采用 CREE 公司所制作的 XLamp XR-E（Cool White，P4）高功率白光11LED 灯源。Cree XLamp L

33、ED 具有行业最佳的照明级性能，并且针对应用进行了优化，可将系统成本降至最低。XLamp LED 便于选择、使用简单，旨在实现绚丽、持久和节能的照明。凭借着照明级辉度、能效、使用寿命与灯光品质等多方面尖端技术，XLamp XR-E LED 掀起 LED 照明行业新变革。XLamp XR-E LED 拥有众多照明级性能，能效更高，使用寿命更长，费用更为低廉，可谓各种传统照明源的理想替代品。图 2-1 XLamp XR-E LED 的特性12图 2-2 XLamp XR-E LED 的尺寸大小我根据 cree 官网所给出的数据，在 solidworks 软件里对光源就行三 D 建模，然后再导入 t

34、racepro 中就行光学定义，其中最为重要的确定发光面。图 2-3 定义表面光源13而下图 2-4 为 3D 效果图图 2-4 光源模型最后我们得到光源就是我们所需要的光源 Cree XLamp LED，我们跟档案光源进行光强图的对比，会有一点误差，在这里我们可以忽略。2.2 设计基本思路设计基本思路我们可以看到 K-mark 的 StVZO 22A No.23 规范，我们大概可以把它分为两个部分，如图 2-4.第一部分为主要亮区，光型设计为水平延伸，但在 V-V 方向也要有良好的对比度。而第二部分，则为较宽的次要亮区。在 K-mark 规范中，虽然规定只有规定 V-V 线左右个 4的区域，

35、但在是指生活中需要更为宽广的亮区来提高主亮区，并且为了更为清晰的了解到周遭的环境，离车大概 5 米的距离的路况也是需要得到充分照明的。所以，在设计尽量在满足 K-mark 的前提时，多考量近距离的路况。14图 2-5 K-mark 效果图分析2.32.3 基本结构设计基本结构设计在 K-mark 规范中，主要亮区的光型需要在垂直方向上有很好的对比度，而且在水平方向也有足够的延伸，所以我们会想到用抛物线的反射板作为反光杯结构，如图 2-6为 tracepro3D 模型15图 2-6 反光杯光路图同样我们可以看见反光杯所产生的光型图，如图 2-7图 2-7 光照图如图所示，图形是一个光型汇集的一个

36、亮点，再者我们可以分析其光线的大概走向，会发现其光线经过反光杯的反射后会大致以平行光出射。这也是我们为什么选择抛物线线形的反光杯。但是这还跟我们所需要的光型有很大的差异，根据主要亮区的光型，其实我们只要把反光杯的形状改变成一个反光板，光型就会变得水平延伸。接16着按着这种思路我们进行进一步的调整，我们会发现光型会得到很好的改善，如图 2-8所示图 2-8 反光杯修改后的光照图这样的光型显然是比刚刚的好很多，而且截止区也很明显，但对于 K-mark 规范来讲，还是太发射了，需要进行更加严密的调整。同时我们也发现了第二个问题，就是次要亮区太分散了。如果要符合 K-mark 规范，除了需要让能量集中

37、以提高垂直中线的照度之外，光型的扩散区域也要够广。结合要求，我们会想到用凸透镜使得光线聚集来提高次要亮区的光照。我们为了达到上述的光型需求，设计了一个透镜。此透镜的曲率经过特殊的设计，然后我们将透镜的上半部分切去，方便以后的反光板的安放也为了避免截止区的对比度受到影响。图 2-9 为 10 米处垂直面的模拟光型17图 2-9 透镜光照图由图 2-9 可以看出经过曲率半径的设计的透镜的半截透镜确实在中心有较良好的聚光效果，如此可以达到垂直中线较高的要求，同时也有较高的能量向下延伸，并且还不会达到截止区。基本上满足了 K-mark 的次要亮区的要求了。2.42.4 结构微型化和结构整合结构微型化和

38、结构整合之前我们经过光型分析和基本的结构设计后，现在我们利用光学上的特性对反射片的结构进行调整，从而使结构尺寸能够缩减，达到微型化的目的。结合我们之前所说的设想，要把自行车前 5 米处也得到充份的照明，我们重新设计了一下发光板。如图 2-10 所示。18图 2-10 修改后的反光板光路图而为了提高 LED 光的利用率，我们在 LED 前方放置一个平面的反光板。我们这里成为反光板 P，他的作用主要是讲打在平面上的光反射到 A 区上，再利用 A 区的曲率吧能量打在主要亮区，这样做不单单可以提升主要亮区的照度，而且还有了延伸效果。反光板 P 的还有一个作用就是为了减少 LED 发出的光线直接打到截止

39、区去，因此这样可以增加垂直对比度，并避免了骑行车时，造成对向行人或车辆直接看到 LED 光源所产生的眩光。在 tracepro 光线追击时，我们可以比较清楚的看见光线反射的走向，这样对我们修改反光板的曲率半径跟反光板的位置也是很有帮助的。同样我们可以在图 2-10 看在 C 区的作用是一个辅助作用，提高主要亮区的照度，形成跟饱和的光型。而 B 区和 D 区的作用就是为了把光打到近距离的地面。这是我们刚开始设计时，考虑到自行车的实际情况所另外加上去的。最后我们来看一下光照图，会发现比之前的单单抛物线拉伸出的光型好很多，这主要是反光板 P 更充分的利用了光源，整体的光学效率也得到了提升。图 2-1

40、1 为修改后的反光板光强图。19图 2-11 反光杯修改后的光照图这样主要亮区的光型与光照强度大概就可以满足了。现在再回到次要亮区来，我们可以发现光型是没问题的，光强也满足规范。但是其厚度太大了，如果在生产制作上就会产生极大的负担，所以我们尝试把透镜薄型化。同时不影响光线的行径方向。这时我们会联想到之前学习过得组合透镜，也就是大家经常说说到的菲涅尔透镜，因为菲涅尔透镜在照明设计时薄型化之透镜并不会造成光型严重的改变。这里我顺便讲一下菲涅尔透镜的原理：菲涅尔透镜(Fresnel Lens)是一种微细结构的光学元件，从正面看其象一个飞镖盘，由一环一环的同心圆组成。其工作原理十分简单：假设一个透镜的

41、折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面） ，拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到20一个平面上。从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。这种透镜还能够消除部分球形像差。根据上述的设想，我们把之前的透镜进行设计为菲涅尔透镜，会发现透镜的厚度大大的缩减了，而且光型仍然保持良好的聚光效果和延伸性。图 2-12 为修改后的透镜模拟 3D 图图 2-12 修改后的透镜模拟图最后我们把

42、模型就行整合，然后进行光型与光强的分析。213 3 结果与讨论结果与讨论3.13.1 3D3D 模型整合与模型整合与光强分析光强分析上一章我们讲到把反光板与透镜和光源进行整合，我综合光线和光型，光强分析了一下，对其进行了微调，也把反光板水平延长了，这样可以更加充分的利用光效率。图 3-1 为整合后的 3D 模拟图，图 3-2 为光照度的效果图。图 3-1 整体模拟图22图 3-2 整体光照图我们根据光照图跟 K-mark 规范进行校对，我把结果制作成一个表格，更易于分析，如表 3-3。表表 3-3 为为 K-mark 的各点的测量值的各点的测量值L110.5lx（1/2HV）HV11.34lx(10lx)R110.5lx（1/2HV）29.05lx(1/2HV)L45.2lx（1.5lx）36.024lx（1.5lx）R45.02lx（1.5lx）我们可以看见每个区域都满足了光照度的要求，但是我们会发现