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1、华中科技大学文华学院学生毕业设计（论文）开题报告学生姓名李艳学号070105011110学部（系）信息科学与技术学部专业年级07级光信1班设计（论文）题目基于TracePro的LED阵列照明光源仿真-指导教师尹娟娟、设计（论文）选题的依据（选题的目的和意义、发展背景、该选题在国内外的研究现状及发展趋势，等）1、LED研究的目的和意义LED在照明应用中，因其具有节能、寿命长、环保、体积小、响应速度快、可靠性高、调控方 便等诸多优点，正作为一种新型照明光源并获得越来越广泛的应用。LED在照明领域的应用越来越 广是无可置疑的，其节能、环保的优势很明显。由于单个LED的发光量很小，照射范围很有限，真
2、正的应用都是多个发光二极管组合应用，即形成LED阵列。LED阵列排列是LED照明光源设计的 关键，不同的LED阵列排列，照明效果有很大的区别。本研究将用Tracepro软件仿真LED阵列不 同排列时的照明效果，使设计人员在照明器制造出以前就可以分析其光学特性是否符合照明标准， 提高了设计的速度、准确性和经济效益。LED的迅猛发展和广泛应用促进了半导体照明系统的发展。但LED光源目前仍有着光输出低发 散角大的光学特性，这些特性使LED往往不能直接应用于照明，而需要合适的照明系统以满足指定 的照明要求。计算机视觉作为一种工程和仿真程序的重要方法已经得到了全球的公认。而作为一名 现代的大学生有必要掌
3、握一到数种计算机仿真设计软件，这也正是我选择基于TracePro的LED阵 列照明光源仿真”这个设计题目的一个主要原因。2、LED国内外研究现状及发展趋势发光二极管，英文名称：Light. Emitting Diode，简称LED，是一种电致发光的半导体发光器件。1965年美国Monsanto公司和HP公司生产出红光LED发光灯，使LED正式进入市场。1968 年研制成功红橙黄光LED，1971年业界推出绿光裸片LED，1992年日本Nichia公司首次研发出蓝 光LED。红绿蓝三色LED按不同的比例混合，可以呈现出自然界美丽的画面。在LED色彩不断丰 富的同时，LED的发光效率也在飞速发展，
4、第一只红光LED的光通量只有千分之几个流明，发光 效率约为0. 1流明每瓦。1968年红橙黄光LED的发光效率达到1流明每瓦，八十年代其发光效率 达到10流明每瓦，近几年来LED的发光效率更是达到几十上百流明每瓦。1996年日本Nichia公司 推出白光LED。从此，LED进军照明领域。随着LED的工业化生产速度不断加快，规模不 断扩大，在制造工艺，亮度，效率，色彩等方面都取得了实用化的进展，使LED受到越来越多人的 青睐。发光二极管具有体积小、价格低，重量轻、电压低、电流小、亮度高，发光响应速度快，驱动 电路简单等优点。它采用环氧树脂等材料密封，结构牢固，抗震性好，使用寿命长达10万小时，要
5、 比荧光灯长10倍，比白炽灯长100倍。在环境保护方面，用发光二极管替代荧光灯，避免了荧光灯 管破裂溢出汞的二次污染。由于LED具备如此众多的优点，使其应用范围越来越广，目前LED主 要应用于三大领域：显示、照明和功能辐射领域。LED显示屏是八十年代后期全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发光二极管构成的 点阵模块或像素组成大面积显示屏幕，具有可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性价比 高、使用成本低等特点，受到客户的青睐，现在仍以比较迅猛的势头发展。据统计仅2006年，中国 LED显示屏市场需求额就达到40. 5亿元，比2005年增长25. 1%,这其中全彩显示屏需求额达到 17
6、. 1亿元，占整体市场的42. 2%。2008年春节联欢会的舞台设计也大量使用了 LED全彩色显示 屏，使得舞台美伦美奂，北京奥运会开幕式也大量使用LED彩色灯和全彩显示屏，气氛烘托 效果一流。LED在照明领域也具有十分诱人的前景。LED发光效率高，电压低，节能效果好，美国能源部 计划从2005年到2025照明用电节省29%，约合1250亿美元。中国每年的照明用电量约占总发电 量的12%，如果能通过半导体照明将照明用电量降低30%，每年甚至能为国家节省一个三峡工程的 发电量。根据中国光学光电子行业协会光电器件分会的初步统计，我国2003年LED产量达200亿 只，年增长率为25%，其中超高亮度
7、LED约为50亿只，增长率达到50%。LED正逐渐代替白炽 灯和荧光灯，成为照明领域的主力军LED被寄予厚望成为显示和照明领域中的主流产品。因此各 国政府都纷纷出台相应的半导体照明计划，以推动LED在普通照明领域的应用推广。日本在1998 年最先制定了 “21世纪光计划”美国于2000年启动了“国家半导体照明研究计划”，欧盟也在2000 年设立了“彩虹计划，还有韩国在2002年推出了“氮化嫁半导体开发计划。我国早已将LED确 定为31项“国家鼓励发展的电子产品之一和20种“鼓励商投资的电子产品和技术之一，要求重 点予以发展，并于2003年正式启动了 “国家半导体照明工程”，列入国家科技攻关重大
8、项目计划。LED产业最诱人的前景也许还不是目前看到的应用。目前国际上普遍的看法是，光电子技术是 21世纪的尖端科技。如果将21世纪具有代表意义的主导业排序，第一是光电子产业，第二是信息通 信产业，第三是健康和福利产业。LED正是光电子产业中最重要的光电子材料和组件，是整个光电 子产业的基础。采购科学界预测，到2010年，以光电子信息技术为主导的信息产业将形成5万亿元 的产业规模；2010年至2015年，光电子产业可能会取代传统电子产业，成21世纪最大的产业，并 成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志。3、国内外LED照明效果仿真软件现状目前世界各国在大功率LED实际应用方面尚处于尝试阶段
9、，实际工程经验相对较少；如何在 LED灯具应用前，量化地模拟其各项功能和指标，一直是各研究机构探索的问题，在量化L王D照 明效果方面，很多国家的研究人员都做出了不懈努力，并取得了大量成绩。其中最显著的划时代性 进步当属美国LambdaResearch公司研制的TracePro软件和高等系统分析程序 ASAP(Advanced System Analysis Program)。TracePro是进行传统光学分析、设计照明系统、分析辐射度和光度的软件，可应用于照昵系统 (LED、LCD Back Lighting.前头灯、刹车灯)、导光管与多模光纤、生物薄膜分析、光机构分析(望 远镜、照相机、红外
10、线成像、积分球、光谱仪、投影系统)、杂散光分析、薄膜分析、以及医学相关 研究，同时TracePro也是第一套以符合工业标准的AcIS(固体模型绘图软件)为核心发展出来的光学 软件，与3D实体模型的兼容度非常高；同时，此软件采用的光线计算方式是非连续(Non-Sequentia1) 以及蒙特卡洛(Monte Carlo)法，仿真过程趋近于真实。随着十余年来不断完善与发展，TIacePIo已 具备标准化的窗口菜单，对话框结构、工具栏和帮助选项，通过不断升级，文件兼容性不断加强其 接口及设定更易于操作。同时TraccPro还自带大量模型实例，供使用者根据工程要求进行修改，减少重复工作带来的浪 费.T
11、racePro的准确度深获设计人员的肯定，已有许多厂商如明基、友达光电等使用TracP如设计 产品，并将其应用于实际生产。问世至今，TracePro版本每年更新数次，目前最新版本为3.0版 (ACISV7.0.8),产品已相当成熟，具备有亲和力的操作接口、考虑周全的特性设定、资料齐全的光源 档案和满足需求的分析功能。ASAP是一种具有弹性及效率的光学系统模型化工具，目的在于提供功能最强的基础光学系统 分析工具，主要应用蒙特卡洛光线追踪技术进行光.机结构间的仿真，优点在于可在不假设系统的 对称性的前提下，做单轴、全域和三维坐标的模拟。ASAP还可仿真同调及绕射的光学系统，使用相对简单但有效的光线
12、追迹的扩展方法即高斯光 束分解)。此方法允许设计者处理同调、绕射、干涉和耦合效率等与相位有关的问题。总体而言， TracePro比较易于上手；而ASAP功能强大，特别对于杂散光问题，可以进行极佳的模拟。值得注 意的是，这些软件虽然都附带了资源丰富的灯具库，可以直接从库中挑选加入指定场景，且这些软 件都附有等照度曲线图、3D夜间模拟图、灯具数量表及总负载表等专业计算数据；但它们是面向传 统光源开发的，只适用于传统光学特性。本课题旨在模拟LED光源在某个时问段内颜色及光强的变 化，其模拟对象主要为LED光源。二、主要参考文献综述1 LED 基本常识 http：/foaike. baidu. cor
13、n / view / 52538. htm2 纪永春，照明LED的应用及展望J.科技资讯，2005, (24)： 33 王晓明，郭伟玲，高国等.LED 一新一代照明光源J.现代显示，2005, 7： 1519.4 石生瑞.大功率白光LED产业化研究D.优秀硕士论文，长春理工大学2006.5 Subramanian Muthu， Frank J. ESchuurmans， and Michael. D. Pashley,Red, greenand blue LEDs for white light illumination. IEEE Journal on selected topics in
14、quantum electronics. Vol 8,2002： 333-338.6 关积珍.LED显示屏发展状况及趋势世界产品与技术，2002(2)： 21-227 王莹.中国LED显示屏市场机遇与挑战并存.电子产品世界，2006(12)： 32-348 关积珍，陆家和.2005年我国LED显示屏产业发展总述激光与红外，2006，36(12)： 1089-1091.9 李漫铁.LED器件对LED全彩色显示屏性能参数的影响J.现代显示，2008(4):5658.10 沈海平.大功率LED可靠性预测机制研究D.优秀博士论文.浙江大学.200811 张瑞君.我国超高亮度LED和白光LED发胀状况及
15、前景J.继承电路通讯，2005，6： 1214.12 艾朝霞，姬妍.LED照明光源前景展望【J.榆林学院学报，2006，7： 404213 方志烈.发光二极管材料与器件的历史、现状和展望(J.物理学和高新技术，2003，5： 295301.14 K.D.Moller, Optics learning by computing, with exSppihgsJr,Berlin, 2007.15 郝金刚，粱春军，刘淡宁，杨婧工ED产业分析报告.现代显示.2006年5月：10-12三、设计(论文)的研究方向(拟采用的研究方法、准备工作情况及主要措施)主要研究内容及预 期目标随着发光二极管在照明领域的
16、应用越来越受到人们的关注，设计更合理的LED灯具成为人们关 注的焦点。由于单个LED的发光量很小，照射范围有限，LED光源灯具一般采用多个LED的组合， 如何排列组合才能使LED灯具设计达到最优是人们的关注焦点之一。1、课题的研究方向照明系统一般由三部分组成：光源、光学系统、照明平面。每一个照明系统的设计都应该围绕 这三个方面进行。本章从LED照明系统的光源、光学系统、照明平面出发，对照明系统的设计理论 进行研究和讨论，但主要研究光源。了解LED光源的发光原理和技术参数，选择合适的光源，选择 依据是光源的特性（包括光学特性和形状等）和设计指标相匹配。研究光学仿真软件Tracepro的特点、 光学追迹的原理，仿真设计的步骤。2、课题研究的主要
