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论文写作分析-基于TracePro的LED室内照明灯具研究

2021-06-18 09:47:33
作者:杭州千明

  从古至今,灯的使用已经是非常长的时间了。人类从发现火的开始,再到灯的使用,有着密切的关系,因为灯就是在火的基础上延伸而来。

  在以前,人类缺少火种,更没有照明的工具。他们只能在黑暗中摸索和生存着。黑夜给人类带来了无比的恐惧和不便,因为黑夜中随时都有野兽的侵袭。但是随着人类发现了火的开始,人类就开始就讲火带入了自己的生活中,保存火种。火可以带来温暖,驱逐野兽,同时也可以消除人们心中的恐惧。人类采用中空的石头和贝壳晒满植物,然后放入野兽的脂肪中,第一盏灯就这样诞生了。就这样人类对火种的使用和保存慢慢的有了一定的理解,然后这个东西不断的衍生和发展,就形成现在我们所知道的灯具。

  法国出现人类第一盏灯的时候,原理就是和之前我们祖先运用的方法一样,后来出现了其他的燃料,通过一个灯芯点燃它。后来希腊人发明出了赤土陶器灯。

  1784年的时候煤气开始作为燃料开始使用,也就是煤油灯。这种灯的原理是燃油气化,然后再进行燃烧。

  图1-1煤油灯图1-2白炽灯

  直到白炽灯的出现就让油灯渐渐的淡出了人类的视线。美国的爱迪生,经过无数次的失败和尝试,研制出了在一个玻璃泡里放很细的碳化纤维丝,然后将里面弄成真空的状态,再通上一个稳定的电压,最终灯发出明亮的光,从此人类走上了一个用电照明的时代。

  法国科学家后来发明了霓虹灯,相比白炽灯又是上升了一个档次。后来又出现了荧光灯。跟其他灯比,荧光灯的出现是室内照明的一个重要标志,它的寿命更长、发光效率高、光色可以调节、发光面积大。满足人类绝大部分的照明需求,但渐渐的发现荧光灯耗电高,还会造成污染,于是就有了LED的出现。最先出现的是红色的LED,再后来的黄色、蓝色、绿色。它的出现让灯的时代走上顶端,它的应用非常的广泛,它不仅拥有荧光灯有的优点,而且省电和环保。

  图1-4 LED青奥中心

  1.2研究内容

  LED的出现,让室内照明的水平更上一层楼,使用的范围也越来越广泛。也正是因为需求的提高,需要我们设计出更好的室内照明灯具,在研究LED阵列的基础上我们设计三种用于室内照明的灯具,还要对照度的均匀度和配光进行优化。

  研究LED发光原理和实现白光LED的三种方式。分析LED的光学特性:发光强度、光通量、光谱分布图、光照度等等。

  利用软件TracePro对不同的LED阵列进行仿真,分析和对比阵列之间的缺点和优点,分析适合此阵列的灯具,方便我们灯具的设计研究。

  在设计好一盏灯后,在照度均匀度和配光方面进行优化,光照效果分别有“蝙蝠翼”形和“朗伯型”的配光,要满足室内照明的要求。

  测试仿真的灯具和现实的情况是否相符合,做相对应的调整。

  1.3研究意义

  从远古时期的火到现在的LED灯具,我们经历了时间的长河,经过伟人的手变成了我们肉眼可见的东西,随着时代的发展,渐渐的人类的生活水平慢慢的提高,为了适应自己时代的节奏,一代又一代人智慧的结晶呈现在我们眼前。时代在进步,我们需要向前看,未来还有更加广阔的空间需要我们去开拓和发展,从目前的来看,人类在灯的成就就已经是很成功了,横空出世的灯也是各有千秋。

  灯的家族成员有非常的多,例如筒灯、吸顶灯、台灯、射灯、落地灯、支架灯、壁灯等。但随着社会的发展,我们在未来可能发现更多更好的新的能源和发光材料,甚至是不一样的发光体,开拓新的光的领域。这个时候我们需要在软件上设计出更好的室内照明灯具,从而满足人们对于照明灯具的需求,进一步的推动LED发展速度。

  LED的横空出世,让世界为称为又是一项伟大的发明。地球的资源是有限的,所以在未来我们需要力求更加节能高效的能源,LED就是一种趋势。它能为我们节省非常高的电能。LED也会是未来室内照明和装饰的主要工具,也许未来的造型将不再局限,它的光线和色彩能够给室内环境带来美好的气氛,增加室内造型的艺术感,这样的室内也是人类所期望的。尤其是白光LED灯的出现,可以说是之前那些灯不可比拟的存在现在的LED远远不止如此,未来需要我们完善它,让LED走上一个更大更好的平台,为人类造福。

  第2章室内照明基础和软件介绍

  2.1 LED的基本理论

  2.1.1 LED发光原理

  LED顾名思义叫做发光二极管,发光二极管最重要的组成部分是由P和N半导体组成的东西,在这两个中间会有一个过渡层,被称为PN结,是可以把电能转换为光能。如图2-1所示,PN结刚好正极处于高电位,负极处于低电位,也就是正极接P区,负极接N区,我们把他叫做正向偏置。如果加反向电压,少数载流子不能通过,这个时候灯就不会发光,因为LED具有单向导电性。当正向偏置电压大于最小的开启电压,简称阈值电压,电子就会从N区跑向P区,两者相遇的时候就会发生复合,在这个过程当中它能量就以光的方式向外发射。光线的颜色也有不同,分别为红外、红、橙、黄、绿、蓝、紫、紫外,发出光线的强弱也跟通过发光二极管的电流有关系。为了起到保护作用,要有一定限流电阻,R为限流电阻,E是电源电压,UF正向压降,IF为一般工作的电流值。

  (2-1)

  如图2-1所示。如果要产生我们人眼所见的可见光,那么半导体材料的禁带宽度都应该在3.26eV到1.63eV这个范围内,这样人眼才能看到。如图2-2

  图2-1 PN结图2-2几种不同半导体的禁带宽度值

  如表2-1我们收集了一些用于发光二极管常用半导体化合物材料和对应的发光颜色。

  表2-1发光材料表

  发光材料代表性发光颜色/nm

  GaAs红外/890

  GaP黄绿色/565、红色/700

  GaAsP黄色/583、橙色/610、红色/630

  GaAlAs红色/655

  AlnGaP橙色/590、红色/635

  InGaN紫外/365、蓝色/465、蓝绿色/465、绿色/520

  2.1.2白光LED实现方法

  (1)利用蓝光LED加黄色荧光粉

  我们可以在蓝光LED灯的芯片上涂抹一些黄色的荧光粉,当蓝色LED发光时,黄色的荧光粉被蓝光激发,这个时候蓝光的LED芯片发出的蓝色光和黄色的荧光粉发出的黄色光就会发生互补,变成我们理想中的白光LED。但是这个方式有它的缺点,黄色荧光体中的Ce3+离子的发射光谱并不具备连续光谱的特征,并且显色指数比较差,在我们低色温照明的需求中,很显然它并不能满足,同时它的发光效率也不是我们理想的状态,这个时候虽然成功了形成了白光LED,但我们需要研制出更好的荧光粉来弥补现在的缺点。

  (2)利用红、绿、蓝三基色混色

  这个方法和第一种有点像,我们在蓝光LED的芯片上涂抹一些绿色和红色的荧光粉,这个时候我们通过蓝色LED的发光可以和荧光粉中的绿光和红光进行复合,它的显示指数会相对第一种来得更好。然而,这种方法也存在着一定得缺点,那就是荧光粉本身的有效转换效率比较低,特别是红色荧光粉它的效率就更低了,因为这种荧光粉是硫化物体系的,他们的发光稳定性、光的衰弱比较大,光的损失比较多,所以我们需要研制出高效、光的衰弱没有那么大的荧光粉,才能让这方面进一步提高。

  (3)紫光或紫外光加三基色荧光粉

  同样的是我们在紫光或紫外光LED的芯片上,涂抹红、绿、蓝三基色的荧光粉,这个时候利用芯片发射出去的长波紫外光(370nm-380nm)或紫光(380nm-410nm)用来激发荧光粉以达到我们想要的白光LED,但这个也同样的存在第二种方法一样的问题,荧光粉的发光稳定性不好,光的衰减也很大。

  图2-3白光LED

  2.1.3 LED分类

  我们常见的LED分类大概有普通单色的发光二极管、高亮度的发光二极管、超高亮度的发光二极管、变色发光二极管、闪烁发光二极管、红外发光二极管、电压控制型发光二极管。

  (1)普通单色的发光二极管

  普通的单色发光二极管他的特点是体积比较小、工作电压低、发光比较稳定、响应快、寿命比较长,而且能用交直流、脉冲等方式进行驱动。他的发光颜色取决于发光的波长,而发光的波长又取决于我们所使用的的半导体材料。

  (2)高亮度单色发光二极管

  高亮度的发光二极管他的不同之处就在于它使用的半导体材料和普通的不同,所以发光亮度也会不同。一般来说使用砷铝化镓这个半导体材料。

  (3)变色发光二极管

  这个发光二极管是可以转换颜色的发光二极管。并且这个变色发光二极管可以分为双色、三色、多色发光的二极管。如果是按引脚的数量来分为二端、三端、四端、六端二极管。

  (4)红外发光二极管

  红外的发光二极管也被称为是红外线发射二极管,因为它是可以将电能变成红外光,也就是不可见光并且是可以发射出去的发光器件,所以它一般用于光控和和发射的电路中去使用。

  图2-5不同颜色LED

  2.1.4 LED特点

  (1)效能低

  消耗的能量和其他同样光效的灯比减少百分之80,比节能灯减少百分之40。

  (2)电压低

  它一般的供电电压直流3-24V之间,是小于人体的安全电压的,所以它是比其他那种高电压的灯具来得安全。

  (3)适用性高

  LED的体积特别小,它的LED单元小片才3-5mm正方形,所以可以做成各种各样的器件。

  (4)寿命高

  一般一个LED的可以发光10万小时,并且光的衰弱为初始值的百分之50。

  (5)响应时间快

  普通的白炽灯的响应时间也就在毫秒级别,但LED的响应时间在纳秒级别。

  (6)价格便宜

  随着LED的发展它的价格也越来越低,那是因为LED省电的特点,在未来对于LED的需求量也会越来越多。

  2.2 LED室内照明

  2.2.1照明产业的发展

  众所周知我们照明产业经历了一个漫长的历史,从原来的火种到现在的各种灯具照明,人类已经离不开灯。在这个照明领域中,我们研制出了非常多种类的灯,只为了提供不同场合,在这个过程中,有许多的灯会慢慢的淘汰,也有新的灯会诞生,这也是新的照明时代的出现。

  从爱迪生发明的白炽灯开始,人类就跨进了一个新的照明时代,这个发现点燃了一个新的时代,为以后得照明产业奠定了很好的基础。但是这个白炽灯的在后来也被人们发现缺点有很多,因为它是热辐射发射的器件,所以它温度非常的高,并且大部分的电能都由能量的形式被消耗掉,真正转化为光能的只有百分之十左右,这就造成了白炽灯十分的费电。白炽灯使用久了,它的表面会黑掉,那是因为在特别的高温下里面的原子会被蒸发成气体,沉淀在白炽灯的灯壁上。里面的钨丝也会因为使用时间的原因,从而被熔断,所以寿命短也是白炽灯的一大缺点。

  二十世纪初,那个时候电气公司发明了一种低压商业应用的汞放电灯,这种灯的内部涂满了荧光粉的物质,所以也被称作荧光灯。里面的原子和离子能够通过激发荧光粉的方式从而辐射出不同颜色的光,这种荧光灯发出的光是由它的转换效率和辐射效率,这个转换的效率大概有百分之二十三左右,因此对比白炽灯是有提升的。慢慢的,越来越多的气体放电灯横空出世,那就是高压放电灯、低压钠灯等等,这些都具有比较高的转换效率,但是在本质上而言,这些灯的出现并没有让灯的领域得到一个质的飞跃,都只是小范围的提高和完善。但是直到六十年代末的时候,终于出现了一个跨世纪的灯,那就是红色的LED,它的材料是叫一种磷化镓的物质,这让红色的LED亮度非常的高。最后通过光的三基色的方式,绿色和蓝色的LED最终被开发出来。

  LED的出现让他在各种领域得到了广泛的使用,我们的室内照明也因此得到了一个质的提升。这些年来,LED在照明领域越来越多,逐渐被人们所知晓,人们越来越关注的是要怎么样才能得到一个固定形状并且分布均匀的光斑。如果可以实现这个那么就可以让光的损失变得更低,从而减少光衰,比较成功的应该就是矩形照明光斑。可以利用重叠和裁剪的方式,使得光斑变得均匀。

  那么我们平时计算多大的面积需要多少灯具就需要计算,1lx的照度,就是1lm的光通量照在1平方米的面积上的亮度,即平均照度(EAV)=单个灯具光通量(φ)*灯具数量(N)*空间利用系数(CU)*维护系数(K)/地板面积(长*宽)

  (2-2)

  空间利用系数(CU)指的是发射出去的光有多少到达到底接收面,根据高度的不同而不同,常用灯盘3米取0.6-0.75;悬挂灯铝罩6-10米取0.7-0.45;筒灯类型的灯3米取0.4-0.55。

  维护系数是指灯具随着时间使用,会发生光衰,像客厅、办公室、卧室、阅读室、医院等等K取值0.8;而像超市、商店、营业厅车站等K取值0.7,而污染较大的场所就去0.6。

  光源在规定的方向上的很小的立体角元dΩ里面的光通量dφ,除以dΩ,得到的商就是在这个方向的发光强度

  (2-3)

  照度是照射到单位面积上的光通量,微小的面积dS接收到的光通量为,此时的接收面表面的照度为

  (2-4)

  由于本身LED发光面积小于1,显然不够。将单颗的LED比作一个有一定空间光强分布的点光源。这个光强分布不是一个理想的余弦分布,受到外在封装和其他因素影响,一个大致光强分布为

  (2-5)

  不同波长对于人眼灵敏度也不一样,用光谱光-效率函数表示,定义为在同样的亮度下,不同波长需要的能量的倒数,其中为光谱光效率函数,为单色光能量。

  (2-6)

  临界闪烁频率CFF:在光的刺激下,人眼所受到的影响并不是马上消失,会持续一段时间,视网膜也会滞后一段时间。光斑是由明暗条纹组成,频率不高的情况下,我们人眼能够清楚的分表明暗,但当光的频率超过临界闪烁频率,人眼就无法察觉,就会给人一种稳定光的感觉,遵循Talbot Plateau定律。

  (2-7)

  2.2.2 LED室内照明灯具的选择

  从目前来看照明灯具分为高压和低压两种类型的,高压的电压为220V,低压一般就低于人体安全电压36V。而现在的室内照明灯具是有它的灯饰,这些灯饰能够给灯带来不一样的美感,并且还能提高光的效能,在不同的场合使用不同的灯饰,能够烘托室内的气氛,一些装饰精美的灯饰,往往会给室内带来更好的氛围,锦上添花。在家庭的中,这种灯的类型非常的多,造型上也是千变万化,能够适应不同的场合,它都扮演着非常重要的角色。

  灯具的种类虽然繁多,但是也不是每个地方都适用,所以从室内的角度来看,它从固定上大概分为固定式和移动式,从安装位置来说可以分为筒灯、射灯、壁灯、吸顶灯、吊灯等等。

  那我们选择灯具时候都需要参照一定得规则。首先,灯需要和所选的地方高度相符合。一般来说房间的高度低于3米就不适合用长吊灯,不然很容易会发生事故,而且也会显得很压抑有压迫感。灯的大小还要符合所选的场地的面积。根据不同的面积选择适合的灯具,如果太大,会造成浪费以及影响美观,但如果太小那就会影响照明的范围。灯的选择还需要看场地而定。有些地方潮湿或者容易脏,比如我们大家所熟悉的厨房和厕所就是这样的,这个时候我们就需要选择防潮和防水的灯具,否则灯具就会特别容易受到损害。灯的选择要根据场景的不同选择符合这个场景相应的风格。才能在一定程度上凸显室内造型的风格,不会给人一种杂乱无序的感觉。灯的选择还需要考虑灯的重量。有些比较质量比较大的灯具要考虑天花板是否能够支撑,不然会造成不必要的事故。那我们就来逐一分析每种灯。

  (1)吸顶灯

  从名字上来看顾名思义是一种和天花板贴合的照明灯具。它的照射方式是那种向下透射或者向周围地方散射的模式,可以让周围的环境变得非常的明亮,给人一种心情愉快的感觉。但它的缺点也比较明显,也是因为它的亮度比较高,所以比较容易造成眩光的感觉。可是现在的室内高度其实都不会很高,所以吸顶灯的使用就会显得比较广泛。但吸顶灯的材质和类型都有非常多的种类,需要根据

  不同的场合去使用。一般来说吸顶灯的使用会选择在客厅、卧室这些需要比较高亮度的地方。而且如果是在卧室的吸顶灯我们通常选择的色温会在3000K左右,尽量偏向于黄色,因为卧室是休息的地方,不应该使用色温高的吸顶灯,会让人产生一种压迫的感觉,打扰休息,但如果是在客厅,我们往往会选择接近自然光的色温,一般在6000K左右,会给人一种明亮舒适的感觉。

  图2-6吸顶灯

  (2)吊灯

  吊灯的形态通常比较美观,能够给不同的场景添加气氛。它的发射形式是四面板散射的形式,它的光没有那么的集中,所以也就不会给人带来一种眩光的感觉,因为它灯的外壳通常采用那种环形、锥形、包裹形等。我们通常会把吊灯使用在餐桌上,麻将桌或者游戏桌前等,气氛感十足。因为吊灯它的光并没有那么的集中,所以在色温的选择上应该要更高点,通常我们选择在3500K左右能够起到一个比较好的效果。

  图2-7吊灯

  (3)壁灯

  这个灯具通常是用于补充照明或者重点照明的地方上。它的体积相对其他灯具来说是比较小的,我们看到它的地方都走廊过道、卧室的床头、餐厅的桌前,会营造一种不一样的感觉,达到一种装饰和补充照明的功能。

  图2-8壁灯

  (4)筒灯

  筒灯这个灯具是一种嵌入式的灯具,并且它的照明方式是那种向下照射的形式,光线比较聚集。也因为是嵌入式的,所以它不占据空间。这个灯具的价格也便宜并且耐用。我们装配的位置也比较广泛,可以在走道、厕所、厨房、客厅等等的地方,我们安装一定数量的筒灯并且距离保持一致,能够达到不错的照明效果,并且筒灯也能充当装饰灯,比如在电视机前、酒柜前、挂饰前等等。

  图2-9筒灯

  2.2.3室内光环境设计准则

  我们需要对比。在室内设计的准则中,都会被两者进行对比。比如是不是圆的、长和短、粗和细、深和浅等等。把他们放在同一个空间内,经过设计让他们能够互相的融合,起到一种互补的作用。

  我们需要层次感。在室内光环境的中,要懂得分清楚层次感,画面要有一定得深度,因为在室内的环境中,我们需要追求一种空间感,这个时候我们需要的色彩就会有冷、暖、明、暗的区别,并且这之中需要配合一定得纹理,有些需要复杂,有些需要简单。当不同的纹理和色彩进行搭配的时候,就会非常具有层次感,从而建立良好的室内光环境。

  我们需要简洁。在室内环境的设计中我们都应该以少而精的原则去布置自己的室内环境,过多的修饰和装饰品会让整个环境显得杂乱无序和狭隘。我们应该倡导简洁的光环境,这样可以让人在这种环境下保持舒适的心情和心理状况。

  光环境对我们生理和心理的影响是非常直接的,只有在良好的光环境下生活人类才能够生存下去。所以在光环境中,光的照度和亮度对我们来说是非常重要的,当照度不均匀时候,我们人眼就会比较吃力,容易引起视觉疲劳。但如果是高照度的情况下,容易产生眩光,并且也不节能。

  在这里我们需要几个条件建立良好的光环境:

  (1)要有良好的光通量和光质量,才能保护眼睛和保障生活。

  (2)照度和亮度应该符合相应的标准,不应该过暗和过亮。

  (3)光是指挥方向的作用,在节能的情况下应该安排放置灯的距离,保证一定得阴影度。

  光通量:人眼所能接收到的辐射功率,用φ表示,单位是流明(lm)。照度:单位面积上接收到的可见光,用E表示,单位是勒克斯(lx)。其中光通量,光谱辐射能通量,

  明暗视觉下的光谱光视觉效率。

  明视觉光通量

  (2-8)

  暗视觉光通量

  (2-9)

  2.3 TracePro软件介绍

  为了能够快速的发展,网络上就出现一些辅助软甲帮助我们能够在线上进行仿真和分析,从而推进发展。TracePro就是一款光学机构软件。

  TracePro的大致步骤是:建立我们需要的模型,设置光学材料和表面属性,进行光源参数的定义,开始光线追踪,分析模拟的结果。这个软件建模的功能不是特别的强大,可以进行一些简单的几何图形的建立,但对于一些复杂的模型,还需要考虑它的坐标,这个是非常难以精确的,并且在一些模型在进行布林运算后,不能进行更改,这就让我们在建立复杂模型中有困难。

  TracePro的工具栏编辑、视图、插入、定义、光线追踪、分析、报告、工具、坐标切换、坎德拉分布图、矩形坎德拉分布图、辐照度分析图等等。

  图2-10 TracePro工具栏

  建模。因为TracePro这个软件的建模功能不是特别强大,所以如果是一些简单的几何图形,那我们可以点击上面对应几何图形的图案,然后在空白处按住鼠标左键拖动你想要的大小,如果是需要具体的大小,那可以右击左边工具栏对应模型点击修改按键,在里面输入你需要的具体数值。当然这个软件支持多种格式的3D软件的导入。

  属性定义。我们在建立好我们需要的模型后,这个时候需要对它的某个表面进行表面属性的设置或者是材料的设置,这个时候需要点击模型或者左边工具栏的模型右键属性,里面有表面属性的设置、材料、温度等等之类。

  追踪光线。我们在设置好了参数和对应的属性后,我们可以对光进行追踪,那在之前我们可以设置光线的数量,然后对光线追踪结果进行分析。可以点击上方工具栏光线追踪或者菜单栏的光线追踪。

  图2-11仿真照度分布图图2-13极坐标光强分布图

  图2-14直角坎德拉分布图

  图2-15色度图

  第3章LED吸顶灯设计

  3.1 SolidWorks建立模型

  首先这个SolidWorks这个软件是一个非常强大的建模软件,能够通过各种不同的功能建立出复杂的模型。步骤如下:

  (1)点击菜单栏的文件,然后点击新建,这个时候会跳出一个对话框,我们选择零件。

  图3-1新建对话框

  (2)选择前视基准面右键草图绘制,原则上来说三个基准面都可以用来构图,只是哪个方便而已。然后我们运用工具栏的直线画出它的半径和高,然后再用样条曲线将它的两条线连接起来形成一个闭合的图形,我们可以运用四点的曲面,然后通过拉伸曲线上的点来改变它的弧度,将高的那条线右键弄成几何构造线。

  图3-2草图绘制

  (3)点击左边工具栏的旋转曲面,点击几何构造线作为旋转轴,然后将旋转角度变成360度,单机左边打钩符号就完成基础模型的建立。完成后,我们点击左上角退出草图就可以了。

  图3-3曲面旋转

  (4)绘制好后的图形我们右键点击左边的工具栏的选项图形,点击外观设置,然后设置黑白格的风格。

  图3-4外观颜色设置

  (5)这个时候我们需要在灯具表面弄一些装饰,所以这个时候我们就选择上视基准面,点击菜单栏的特征,参考几何图形中的基准面,然后我们先在上面一个先画简单的四边形,这里的图案可以自己发挥构思,这个只是比较简单的图形。

  图3-5基准面1绘制图

  (6)绘制好基准面后我们在左边的工具栏中找到曲面拉伸的功能,这个功能能让我们刚才画的图形变得立体,至于我们想要多高可以通过设置长度来决定,最后的效果。

  图3-6拉伸后图形

  (7)基准面1绘制好后,我们依旧在这个视图上建立第二个基准面,这个时候我们需要和第一个基准面拉开一定距离,才不会让画的图都混在一起。这个时候我们打开设置基准面之间距离为10mm左右。

  图3-7距离设置

  (8)设置好了第二个基准面后我们可以看到刚才设置的第一个基准面上所做的草图,在这个基础上我们再画一个简单的圆形,依旧是运用左边工具栏的曲面拉伸功能。

  图3-8基准面2绘制

  (9)设置好第二个基准面后,我们进行第三个基准面的设置,这里同样和前一个基准面的距离调整为10mm,然后我们在中心点画一个小圆,当作它的图形,再运用曲面拉伸的功能最后设置好高度就好了。

  图3-9基准面3绘制

  (10)最后我们给灯具的中心画一个凹面的图形,然后进行曲面的旋转,这里需要用到我们用直线先画出横轴和纵轴,然后呢把纵轴设置为几何构造线,为了待会旋转找好中心点,然后用曲线构造出一片叶子的形状,要和刚才画的两条线连接,形成一个闭合的图形,只有闭合的图形才能能进行下一步的操作。

  图3-10绘制中心

  (11)当这些都完成的时候这个吸顶灯的制作就差不多了。这个时候我们需要将这个东西保存类型改为step的后缀形式才放方便我们后面导入TracePro的软件。

  图3-12吸顶灯俯视图图3-13吸顶灯底部

  图3-14吸顶灯前视图

  3.2 TracePro吸顶灯仿真

  (1)打开TracePro软件,将建模好的吸顶灯导入,设置好接收面,本次设计的吸顶灯是应用于卧室,所以根据规定设置接收面9平方米左右的面积,参考高度是0.75米。

  图3-12接收面设置

  (2)设置LED的波长和数量,一共有5颗灯每个灯20万的光线,一共100万的光线数。因为研究的是卧室的吸顶灯,色温3000K左右,输入这样的波长合适。

  图3-13表面光源设置

  (3)设置好了光源后,我们对阵列进行选择,为了满足照度150lx,需要至少五颗灯的排布,经过筛选十字形的阵列优点光线分布均匀,中间亮度高,缺点是可能有眩光。

  图3-14吸顶灯阵列

  (4)阵列选择后,开始追踪光线。

  图3-15仿真照度分布图图3-16极坐标光强分布图

  图3-17直角坎德拉分布图

  图3-18色度图

  3.3吸顶灯分析与讨论

  明确照明的需求。先确定自己要在哪个地方设计,然后在根据对应的场合设计出符合照明要求的灯具。这次设计是选择了卧室,由于卧室通常并不是那么的大,选择灯具时候,不建议选择太大的灯具,应使用吸顶灯会显得美观整洁。

  参数分析。确定了设计的地方和灯具,那就需要估计灯具的发射角度需要多大才能满足这个地方的照明要求。卧室的面积是10平米以内,那吸顶灯的出射角度应该也至少大于120度。

  确定使用LED灯的数量。不同的场合需要的照明度也不一样,本着节能环保的前提,在尽可能不浪费的情况下选定好灯的数量和阵列,以达到我们需要。本次设计的吸顶灯,需要至少五颗LED灯才能够达到基本的照明要求,经过筛选十字阵列比较符合我灯具的形状以及照明的要求,能够均匀的发射光线。

  这次设计卧室的吸顶灯是放在靠近床的上面,卧室的主要活动光线应该保证明亮,光线采用的是直接散光的照射,这样让90%-100%直接照射在我们需要照射的面积上,选用十字阵列能够有效的能照度达到150lx以上,每个LED保持一定得距离,上下左右都放置一颗LED,能够无死角的让发射光更加均匀,满足了卧室照明的基本要求。采用多颗灯阵列灯够在节能的情况下达到预想的期望,并且在加上灯具的外壳能够进一步增加光强和发射面积,让光线更均匀。用这种方法可以替代现有的传统光源,这种阵列能够在不改变灯具外形的情况下,减少了灯具的成本,也让后期的修理更加方便。如图3-15辐照度分布图可以看出,光线是直接散光,大部分的光线都能直接照射在面积上,光线均匀,缺点就是中心光强较大,会产生眩光。图3-16和3-17可以看出光线分布几乎重合,说明光线发散角几乎相同,这样可以大大提高光效,光强呈现中心高两边低的趋势,色度图3-18色温接近色度图的最佳曲线,说明色温良好。

  第4章LED筒灯设计

  4.1 TracePro建立模型

  (1)首先打开菜单栏新建一个空白页,插入一个几何物件圆锥。

  图4-1设置参数1图4-2圆锥1

  (2)插入第二个圆锥要比原来的第一个要小一点,方便后面的布林运算。

  图4-3设置参数2图4-4圆锥2

  (3)在左边的任务栏中,选中圆锥2右键移动选项,沿着Z轴移动0.5mm,然后先选中圆锥1,再选中圆锥2,打开菜单栏的布林运算的差集,就会出现的到一个圆锥3。

  图4-5圆锥3

  (4)然后插入一个圆柱,当作筒灯的玻璃。

  图4-6设置玻璃参数图4-7筒灯成品图

  4.2 TracePro筒灯仿真

  (1)打开TracePro软件,设置好接收面,本次设计的吸顶灯是应用于卫生间镜前,所以根据规定设置接收面4平方米左右的面积,参考高度是0.75米。

  图4-8接收面设置

  (2)设置LED的波长和数量,每个灯50万的光线,一共100万的光线数。因为研究的是卫生间镜钱,色温4000K左右,输入这样的波长合适。

  图4-9表面光源设置

  (3)设置好了光源后,我们对阵列进行选择,为了满足照度100lx,需要至少两颗灯的排布,一字形的阵列能够比较好的在镜前照射。

  图4-10一字型阵列

  (4)阵列选择后,开始追踪光线。

  图4-11仿真照度分布图图4-12极坐标光强分布图

  图4-13直角坎德拉分布图

  图4-14 4000K色度图

  4.3筒灯分析与讨论

  明确照明的需求。先确定自己要在哪个地方设计,然后在根据对应的场合设计出符合照明要求的灯具。本次设计是在卫生间镜前,由于是在卫生间所以需要考虑防潮防水的功能而且一般卫生间空间不大,不大适合放置外露的灯具,所以筒灯是一种嵌入式的安装,在美观和安全程度上都非常的合适。

  参数分析。在卫生间镜前所需要的照明范围不用特别的大,只需要能保证镜前的清晰,一般来说出光角度在120度左右也就足够。

  确定使用LED灯的数量。因为卫生间镜前的照明度不需要那么的高,所以两颗LED组成的一字阵列就能够达到我们需要的100lx的要求。

  这次设计卫生间镜前灯,卫生间镜前灯不需要特别大的出光角度,光线采用的是直接散光的照射,这样让90%-100%直接照射在我们需要照射的面积上,选用一字阵列能够有效的能照度达到100lx以上。筒灯由于是嵌入式的方式,所以能够起到一定得防水要求,并且能达到美观,光线的透射方式也较为集中。在LED外壳封装了反射灯罩,改变了出光的角度,能够进一步的限制出光的角度,让光强的分布均匀。通过图4-11的照度图能看出光线的分布广,并且相对均匀。图4-12和4-13能看出发散角度比吸顶灯大,光线均匀性上更好,不会有那么大的眩光,光强呈现中心高两边低的趋势,色温图能够看出色温非常接近曲线,说明色温效果良好。

  第5章LED吊灯设计

  5.1 SolidWorks建立模型

  (1)首先打开SolidWorks,点击菜单栏新建,点击零件,完成新建。

  (2)选择右视基准面,草图绘制,画出两条线让他们互相垂直,设置为几何构造线,然后利用曲线进行连接,弄出一个山坡的形状,形成一个闭合的面。退出草图,点击确定,画出图形。

  (3)模型好后,选择前视基准面的拉伸曲面功能进入草图编辑,画出一个和模型一样大小的圆,然后画一条垂直的几何构造线,然后把这条线当作是中心线画出一个葫芦的形状,方向选择成形到一面,点击确定完成。

  (4)选择曲面放样,选择刚才绘制的图形,让图形凸显,然后曲面裁剪掉多余的部分。

  (6)在凹面处弄一个基准轴,然后选择圆周阵列,点击原图,以基准轴为中心进行旋转复制12个。

  (7)然后绘制一个山坡的形状和上一个图形连接,选择基准轴为中心,让图片进行旋转,完成吊灯的顶部部分。

  (8)然后在连接处创立三个不同距离的基准面,分别在这三个基准面绘制花边形状,然后选择放样凸台,将三个基准面凸起连接起来,形成吊灯的灯柱。在灯柱顶部画一个叶子的形状,点击旋转,完成底部装饰。

  (9)在柱子底部画一个圆锥的形状,选择60度,然后通过圆周阵列旋转6个,合并成一个。在灯柱底部绘制草图,通过旋转功能画出一个圆盘的形状。

  (10)在圆盘的左边绘制一个两头都是圆勾的形状,点击等距实体。在圆勾两头分别建立基准面,画一个猫脸的形状,然后曲面扫描,变成一个实体。点击曲面填充,将两个头的面填平。点击圆周阵列,选择刚才绘制好的实体,旋转6个完成灯饰花边的建模。

  (11)旋转其中一个花边在上面绘制,先点击旋转凸台进入草图绘制,画出灯的底座。然后在底座上绘制一个距离为100mm的基准面,绘制一个八边形。在原来基准上再建立一个距离15mm的基准面,再绘制一个八边形。距离底座46mm处在建立一个基准面,用曲线将三个面连接起来,通过曲面扫描完成灯的外壳建模。

  (12)点击圆周阵列,选择刚才的灯进行旋转6个,完成所有吊灯的建模。

  图5-1吊灯俯视图图5-2吊灯底部

  图5-3吊灯前视图

  5.2 TracePro吊灯仿真

  (1)打开TracePro软件,将建模好的吊灯导入,设置好接收面,本次设计的吊灯是应用于餐桌上,所以根据规定设置接收面10平方米以内的面积,参考高度是0.75米。

  图5-4接收面设置

  (2)设置LED的波长和数量,一共8颗灯每个灯12.5万的光线,一共100万的光线数。因为研究的餐桌上的灯,色温3500K左右,输入这样的波长合适。

  图5-5表面光源设置

  (3)设置好了光源后,我们对阵列进行选择,为了满足照度100lx,需要至少8颗灯的排布,每个灯罩里放1颗灯,以及底部的1颗灯,因为欧式吊灯的发射形式是四面八方的,所以并不是那么的集中,所以需要灯比较多,但照射的范围会比较广。

  (4)阵列选择后,开始追踪光线。

  图5-6仿真照度分布图图5-7极坐标光强分布图

  图5-8直角坎德拉分布图

  图5-9 3500k色度图

  5.3吊灯分析与讨论

  明确照明的需求。根据自己设计的地方和模型进行定制。这次设计地点是选择了餐桌上,选择是吊灯,因为餐桌通常没有特别高,所以利用吊灯能减少天花板空旷的景象,凸显气氛。

  参数分析。确定了设计的地方和灯具,那就需要估计灯具的发射角度需要多大才能满足这个地方的照明要求。餐桌的面积是10平米以内,那吸顶灯的出射角度同样需要大于120度。

  确定使用LED灯的数量。不同的场合需要的照明度也不一样,本次设计的吊灯是欧式的,所以设置了8颗LED灯。

  本次设计的吊灯因为属于欧式,非集中照射的类型,阵列的设置是圆形,因为吊灯的花样较多,是一种高级的装饰灯。它的发射形式比较特别,因为这种欧式吊灯在以前是用蜡烛的,后来改用了灯泡以及现在的LED,不同于其他灯具,它的照射形式并不是那么集中,反而是属于360度不死角的散射,因为在餐桌上并不需要特别高的照明度,因为吊灯在餐桌上的应用,让它不仅仅是一种灯,更是一种美的体现。通过图5-6、5-7、5-8看出光强的分布呈现两头高中间低的趋势,并且发射角180度以上,可以看出吊灯的发光角度比较,但是缺点就是它比较的不节能,需要的LED灯多,并且不好清洗和维修,这需要我们以后进一步的去优化。