LED照明產(chǎn)品光學(xué)設(shè)計(jì)講述

1、LED照明標(biāo)桿產(chǎn)品光學(xué)設(shè)計(jì)照明標(biāo)桿產(chǎn)品光學(xué)設(shè)計(jì)中山大學(xué)半導(dǎo)體系統(tǒng)研究中心佛山市中山大學(xué)研究院 研發(fā)部部長(zhǎng)羅滔內(nèi)容提要2、 光學(xué)設(shè)計(jì)案例講解1、LED路燈光學(xué)結(jié)構(gòu)演變歷程內(nèi)容提要2、 光學(xué)設(shè)計(jì)案例講解1、LED路燈光學(xué)結(jié)構(gòu)演變歷程道路照明燈具形態(tài)發(fā)展軌跡單顆小功率LED集成單顆大功率LED單顆大功率LED+聚光型透鏡靠燈體結(jié)構(gòu)傾斜+聚光型透鏡配光單顆大功率LED+矩形配光透鏡/反射杯基于單管LED的模塊化模組基于集成封裝的模塊化路燈配光類型無(wú)配光聚光圓形配光依靠燈體結(jié)構(gòu)配光透鏡矩形配光亮度均勻配光光源形態(tài)小功率LED單管大功率LED集成封裝大功率LED燈具形態(tài)LED道路照明：從小功率LED到大功

2、率LED出現(xiàn)的問(wèn)題：配光問(wèn)題 LED路燈配光的意義未經(jīng)配光的LED路燈為瑯勃分布，大部分光被浪費(fèi)未經(jīng)配光，無(wú)法達(dá)到道路照明設(shè)計(jì)規(guī)范中的照度均勻度要求LED道路照明：從無(wú)配光到蝙蝠翼配光幾類完成蝙蝠翼配光的方案幾類完成蝙蝠翼配光的方案彎曲面板拼接：光線控制能力弱眩光嚴(yán)重散熱不均衡平面+光學(xué)結(jié)構(gòu)：光線控制能力強(qiáng)眩光小散熱條件統(tǒng)一新的問(wèn)題：照度均勻但看上去不均勻新的問(wèn)題：照度均勻但看上去不均勻經(jīng)測(cè)試，照度均勻性達(dá)到經(jīng)測(cè)試，照度均勻性達(dá)到0.68；不過(guò)人眼和照相機(jī)看；不過(guò)人眼和照相機(jī)看到的是如此景象到的是如此景象 路面照度：路面點(diǎn)單位面積接收的光通量 路面亮度：從路面點(diǎn)反射到人眼的光錐亮度 路面照度和

3、路面亮度路面照度和路面亮度的關(guān)系的關(guān)系照度：P=d/dS亮度：L=d/d/dS微元面積微元面積dSd接收光通量：接收光通量：d人眼接收光通量：人眼接收光通量：d城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的兩種評(píng)價(jià)體系的兩種評(píng)價(jià)體系 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)機(jī)動(dòng)車交通道路照明的要求對(duì)機(jī)動(dòng)車交通道路照明的要求n 亮度評(píng)價(jià)體系指標(biāo)q平均亮度Lavq總均勻度U0 q縱向均勻度UL n照度評(píng)價(jià)體系指標(biāo)q平均照度：Eav q照度均勻度UE亮度指標(biāo)亮度指標(biāo)人眼的直觀感受人眼的直觀感受的指標(biāo)的指標(biāo) 駕駛員行車作業(yè)時(shí)，眼睛直接感受到的是路面亮度不是照度 國(guó)際照明委員會(huì)和大多數(shù)國(guó)家以亮度為依據(jù)制定

4、道路照明規(guī)范 在有條件進(jìn)行亮度計(jì)算和測(cè)量的情況下，應(yīng)以亮度為準(zhǔn)平均亮度低總均勻度差縱向均勻度不好 測(cè)量點(diǎn)最小間距小于5米，則亮度計(jì)： 垂直視場(chǎng)角2 水平視場(chǎng)角220路面亮度路面亮度的測(cè)量的測(cè)量1.5m1/4車道60160mP計(jì)算計(jì)算 “檢測(cè)檢測(cè)”路面亮度的方法路面亮度的方法n隨著經(jīng)濟(jì)和全球科技的發(fā)展， 亮度評(píng)價(jià)系統(tǒng)可能也應(yīng)該普遍成為評(píng)測(cè)道路照明設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn) n采用理論計(jì)算的方法 “檢測(cè)”路面亮度：q利用燈具的等照度線或配光曲線，計(jì)算得到燈具在某種路面和排布的亮度分布，指導(dǎo)燈具安裝和光學(xué)系統(tǒng)的改進(jìn)路面亮度的決定因素路面亮度的決定因素n由路面照度和亮度系數(shù)決定：n亮度系數(shù)q ：路面某一點(diǎn)亮度與該點(diǎn)照

5、度的比值 q反映了路面的反射特性：散射角分布，路面反射率 q“城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”附錄給出水泥、瀝青路面的亮度系數(shù)人眼接收亮度：人眼接收亮度：L路面照度：路面照度：P亮度系數(shù)的轉(zhuǎn)換與計(jì)算亮度系數(shù)的轉(zhuǎn)換與計(jì)算n“設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”的亮度系數(shù)表q簡(jiǎn)化亮度系數(shù)：q無(wú)法直接使用，需要處以一個(gè)系數(shù)n轉(zhuǎn)換n轉(zhuǎn)換系數(shù)n的計(jì)算：q決定條件：平均亮度系數(shù)Q0q計(jì)算公式：q計(jì)算結(jié)果：n亮度系數(shù)q(,)=系數(shù)表數(shù)值/1000/cos3/n水泥路面（水泥路面（Q00.1）：）： n = 9.457瀝青路面（瀝青路面（Q00.07）：）：n = 7.522亮度分布計(jì)算流程亮度分布計(jì)算流程單盞路燈的照度分布單盞路燈的照度分布路

6、面亮度分布實(shí)例：某路燈的亮度分布轉(zhuǎn)化實(shí)例：某路燈的亮度分布轉(zhuǎn)化n測(cè)量懸掛高度：2.4mn有效照射面積比例：高：寬：長(zhǎng)高：寬：長(zhǎng)=1:1.2:3.584.5159234309384384458-4-2024-2-1.5-1-0.500.511.52某某LED路燈測(cè)試照度等高線路燈測(cè)試照度等高線安裝路面安裝路面s=1.5mH =11.5m=23 L=35m3.75m5mn路面特性：水泥混凝土燈具排布參數(shù)燈具排布參數(shù)檢測(cè)點(diǎn)排布及距離檢測(cè)點(diǎn)排布及距離n平均照度：15.6luxn照度均勻度：0.68n達(dá)到“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”照度評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)快速路的要求路面的照度分布路面的照度分布21.2 21.2 20.3 20

7、.3 15.1 15.1 16.5 16.5 15.4 15.4 15.2 15.2 20.9 20.9 21.2 21.2 17.8 17.8 16.5 16.5 14.0 14.0 17.5 17.5 21.1 21.1 14.7 14.7 17.5 17.5 17.8 17.8 10.7 10.7 10.6 10.6 11.2 11.2 12.8 12.8 13.6 13.6 12.0 12.0 10.7 10.7 10.7 10.7 燈具在路面的照度分布計(jì)算結(jié)果燈具在路面的照度分布計(jì)算結(jié)果(單位：?jiǎn)挝唬簂ux)n平均亮度Lav：1.49（cd/mm2）n總均勻度U0 ： 0.56n各車

8、道縱向均勻度UL：UL10.70，UL20.51，UL30.59n結(jié)論：在高照度均勻性下，亮度均勻性和縱向亮度性都不一結(jié)論：在高照度均勻性下，亮度均勻性和縱向亮度性都不一定達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)定達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)換算的換算的路面的亮度分布路面的亮度分布1.72 1.72 1.73 1.73 1.42 1.42 2.02 2.02 2.03 2.03 1.59 1.59 1.78 1.78 1.73 1.73 1.44 1.44 1.39 1.39 1.32 1.32 2.21 2.21 2.58 2.58 1.42 1.42 1.45 1.45 1.44 1.44 0.85 0.85 0.92 0.92 1.13

9、1.13 1.39 1.39 1.43 1.43 1.12 1.12 0.84 0.84 0.85 0.85 燈具在路面的亮度分布計(jì)算結(jié)果燈具在路面的亮度分布計(jì)算結(jié)果(單位：?jiǎn)挝唬篶d/mm2)LED道路照明：從照度均勻到亮度均勻改變配光特性，才能從照度均勻到亮度均勻當(dāng)最大光強(qiáng)角度從60度左右增加到67度以上，可以達(dá)到了道路的亮度均勻性和縱向均勻性要求燈具形態(tài)發(fā)展趨勢(shì)：一體式燈具到模塊化燈具一體式燈具模塊化燈具模塊化必然趨勢(shì)：成本優(yōu)勢(shì)模塊化大大減小了模具成本（不同瓦數(shù)的燈具不需另外開(kāi)模具）物料成本更低（同樣散熱面積的多個(gè)模組總物料質(zhì)量小于一體式整燈）小型模組加工方便，加工成本更低有助于大幅降低

10、備料風(fēng)險(xiǎn)綜合成本綜合成本 = 燈具制造成本燈具制造成本 + 維護(hù)成本維護(hù)成本 + 可靠性風(fēng)險(xiǎn)成本可靠性風(fēng)險(xiǎn)成本 模具成本物料材料成本物料加工成本光源成本電子器件成本模塊化必然趨勢(shì)：維護(hù)優(yōu)勢(shì)一體式燈具換光源步驟一體式燈具換光源步驟需整燈取下，換一完全相同的燈具可能燈具完全報(bào)廢，或光源全部返廠置換模塊化燈具換光源步驟模塊化燈具換光源步驟卸下模塊：?jiǎn)我荒K,輕便易拆裝模組甚至可以現(xiàn)場(chǎng)置換只更換一個(gè)模塊，不用全部更換綜合成本綜合成本 = 制造成本制造成本 + 維護(hù)成本維護(hù)成本 + 可靠性風(fēng)險(xiǎn)成本可靠性風(fēng)險(xiǎn)成本 換燈施工成本維護(hù)燈具成本三種類型的單管模塊化形式LED陣列模組+光學(xué)透鏡/反射杯+燈罩LED

11、陣列模組+光學(xué)面罩（去除平板燈罩）LED陣列模組+單顆透鏡+露孔壓板優(yōu)點(diǎn)：制造工藝成熟，透鏡成本低，不易積灰缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，燈具效率受到影響優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，燈具效率最高缺點(diǎn)：裸露的透鏡易積灰、老化、變形優(yōu)點(diǎn)：易替換，光效高，透鏡成本低缺點(diǎn)：易積灰，防水設(shè)計(jì)難度較大LED道路照明：從單管器件封裝到集成封裝模組 優(yōu)勢(shì)： 成本遠(yuǎn)低于單管器件（100瓦同樣光效的光源成本低50%以上） 器件失效機(jī)制更少，散熱器與模組接觸好（器件與散熱器接觸面積?。?易于進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)，易形成流線型造型 形式單一、接口標(biāo)準(zhǔn)，易形成標(biāo)準(zhǔn)化器件 缺點(diǎn)： 光源光效低10%-20% 散熱性能更差，壽命預(yù)期更短集成光源+玻璃大

12、透鏡單管器件模組內(nèi)容提要3、 光學(xué)設(shè)計(jì)案例講解1、LED路燈光學(xué)結(jié)構(gòu)演變歷程2 、LED標(biāo)桿評(píng)測(cè)結(jié)果中體現(xiàn)的光學(xué)問(wèn)題4 標(biāo)桿評(píng)測(cè)光學(xué)設(shè)計(jì)部分測(cè)試結(jié)果分析 4.1 光效評(píng)估 4.2 光色質(zhì)量評(píng)估 4.3 對(duì)配光設(shè)計(jì)的評(píng)估 4.4 對(duì)耐候性的評(píng)估LED標(biāo)桿指標(biāo)指標(biāo)1 燈具光效指標(biāo)2 色溫指標(biāo)3 路面光效指標(biāo)4 均勻性指標(biāo)5 環(huán)境比指標(biāo)6 20lux平均照度下單位面積功率指標(biāo)7 耐候性指標(biāo)7-1 高低溫指標(biāo)7-2 潮態(tài)耐久性指標(biāo)7-3 開(kāi)關(guān)測(cè)試指標(biāo)7-4 浪涌測(cè)試指標(biāo)3-1 單位功率平均照度指標(biāo)3-2 單位功率平均亮度指標(biāo)3-3 眩光指標(biāo)4-1 照度均勻度指標(biāo)4-2 縱向亮度均勻度LED標(biāo)桿評(píng)估范圍

13、光色質(zhì)量光色質(zhì)量評(píng)估評(píng)估光效評(píng)估光效評(píng)估對(duì)耐候性對(duì)耐候性的評(píng)估的評(píng)估對(duì)配光對(duì)配光設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)的評(píng)估評(píng)估評(píng)估范圍評(píng)估范圍 LED標(biāo)桿評(píng)估范圍與標(biāo)桿指標(biāo)、指標(biāo)權(quán)重間的關(guān)系光效評(píng)估光效評(píng)估 指標(biāo)1 燈具光效 指標(biāo)3-1 單位功率平均照度 指標(biāo)3-2 單位功率平均亮度 指標(biāo)6 20lux平均照度下單位面積功率光色質(zhì)量評(píng)估光色質(zhì)量評(píng)估 指標(biāo)2 色溫對(duì)配光設(shè)計(jì)的評(píng)估對(duì)配光設(shè)計(jì)的評(píng)估 指標(biāo)3-1 單位功率平均照度 指標(biāo)3-2 單位功率平均亮度 指標(biāo)6 20lux平均照度下單位面積功率 指標(biāo)4-1 照度均勻度 指標(biāo)4-2 縱向亮度均勻度 指標(biāo)5 環(huán)境比對(duì)耐候性的評(píng)估對(duì)耐候性的評(píng)估 指標(biāo)7 耐候性26.67%6.

14、67%6.67%13.33%4.44%6.67%6.67%13.33%6.67%6.67%2.23%20.00%影響比重影響比重：42.3%影響比重：53.3%影響比重：20%共同影響比重：26.67%內(nèi)容提要2、 光學(xué)設(shè)計(jì)案例講解1、LED路燈光學(xué)結(jié)構(gòu)演變歷程透鏡的設(shè)計(jì)流程 確定設(shè)計(jì)目標(biāo) 根據(jù)設(shè)計(jì)方向進(jìn)行初步設(shè)計(jì)：根據(jù)光學(xué)原理，設(shè)計(jì)光線控制思路 編寫程序，構(gòu)建曲面中的控制點(diǎn)和控制線（母線）；將控制點(diǎn)、線利用3D建模軟件構(gòu)建模型 利用光學(xué)模擬軟件對(duì)所建模型進(jìn)行光線追跡，評(píng)估樣品的光效，光斑均勻度等參數(shù)，提取配光曲線 調(diào)整和優(yōu)化，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo) 利用DIALux模擬在實(shí)際照明環(huán)境中光斑的分布情況，

15、照度亮度的均勻的等指標(biāo)光學(xué)設(shè)計(jì)的輔助工具 數(shù)學(xué)計(jì)算軟件MATLAP 、Excel 3D建模軟件Rhinoceros 、Pro/Engineer 光學(xué)模擬軟件TracePro 、Lightools 燈光照明設(shè)計(jì)軟件DIALux設(shè)計(jì)實(shí)例：Flood light泛光燈照明要求被照物體：墻面照亮面積：高6m，寬14米燈具位置：離墻1m，垂直照射，仰角35光通量：?jiǎn)螣?400lm照度要求：要求光在被照墻面上有均勻的照度分布照明特點(diǎn)：屬于單側(cè)的投射燈，縱向方向的光分布是非均勻的，要求光縱向集中分布在上方，且光線均勻過(guò)渡單盞高壓鈉燈洗墻燈完成的設(shè)計(jì)效果第一步：確定設(shè)計(jì)目標(biāo)確定設(shè)計(jì)目標(biāo)目標(biāo)配光曲線水平方向?qū)ΨQ

16、，垂直方向非對(duì)稱 以下將根據(jù)單透鏡泛光燈的設(shè)計(jì)來(lái)詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)與優(yōu)化的過(guò)程以下將根據(jù)單透鏡泛光燈的設(shè)計(jì)來(lái)詳細(xì)介紹設(shè)計(jì)與優(yōu)化的過(guò)程光源尺寸如下圖所示，要保證內(nèi)表面尺寸必須大于光源尺寸。設(shè)計(jì)目標(biāo)1：光效系統(tǒng)最大光強(qiáng)45 接收面零點(diǎn)以上平面的光通量為81.371lm，占總平面的81%設(shè)計(jì)目標(biāo)2：射到上半平面的光通量占總光通量的81%第一步：確定設(shè)計(jì)目標(biāo)第二步：確定總體光學(xué)結(jié)構(gòu) 備選方案1：非對(duì)稱結(jié)構(gòu)透鏡 可行性：縱向方向上的非均勻光分布決定了單透鏡必須使用具有內(nèi)外表面的非對(duì)稱結(jié)構(gòu) 實(shí)施特點(diǎn)：?jiǎn)瓮哥R結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)困難，開(kāi)模難度大 裝配簡(jiǎn)單 備選方案2：透鏡+反射杯 可行性：利用反射杯來(lái)實(shí)現(xiàn)光的單側(cè)分

17、布 實(shí)施特點(diǎn)：反射杯和透鏡均曲面簡(jiǎn)單易開(kāi)模 反射杯的精度要求高，實(shí)現(xiàn)難度大 需要分別裝配透鏡與反射杯，容易引入誤差+外表面內(nèi)表面=確定的設(shè)計(jì)思路 利用3D建模軟件（Rhinoceros）構(gòu)建透鏡模型外表面內(nèi)表面 利用光學(xué)模擬軟件（TracePro）進(jìn)行光線追跡把透鏡模型代入到TP中，設(shè)置透鏡材質(zhì)為PC，建立光源，設(shè)定光源發(fā)光表面光通量為100lm，建立接收面，進(jìn)行光線追跡。如下圖所示第五步：系統(tǒng)優(yōu)化評(píng)估光斑質(zhì)量，光效等TracePro模擬所得光斑光效為90.419%，光效較高，但主要還存在三方面的問(wèn)題最大光強(qiáng)角過(guò)小上半平面能量占總平面的能量為的0.82%，零點(diǎn)以下的光通量太多最大光強(qiáng)分布在兩側(cè)

18、，中心光強(qiáng)較弱，光斑出現(xiàn)了“空洞” 必須對(duì)透鏡進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整！必須對(duì)透鏡進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整！系統(tǒng)優(yōu)化的檢測(cè)手段 1. 利用光學(xué)模擬軟件自動(dòng)優(yōu)化：如利用TracePro的Interactive Optimizer功能設(shè)定目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化（局限性：只能模擬某些特殊結(jié)構(gòu)） 2. 根據(jù)樣品的光效，配光曲線，照度情況等分析光線的走向，能量劃分等，手動(dòng)調(diào)整模型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)模擬評(píng)估優(yōu)化模擬評(píng)估優(yōu)化得出最優(yōu)結(jié)果的過(guò)程系統(tǒng)優(yōu)化的檢測(cè)手段 3、利用DIALux模擬在照明場(chǎng)合中光斑的分布情況，照度亮度的均勻度的等指標(biāo)，檢驗(yàn)光斑效果在DIALux中建立615m的墻面，設(shè)置墻面反射系數(shù)為50%，用不同 的分辨率觀察單燈的光斑

19、是否平整，是否圓滑過(guò)度，有無(wú)雜散光等。從上圖可看出，光斑兩側(cè)光強(qiáng)較大，中心光強(qiáng)較弱，光斑不平整，這與TracePro中模擬的結(jié)果是一致的，這樣的光斑是不及格的，必須進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，把兩側(cè)的光往中間聚。系統(tǒng)優(yōu)化過(guò)程 對(duì)比光斑形狀，光效，照度均勻度，平均照度等參數(shù)后找出光斑不足的地方，對(duì)透鏡進(jìn)行針對(duì)性修改 光斑形狀是由各個(gè)表面共同作用的結(jié)果，為了優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，首先需要了解每個(gè)表面對(duì)光斑的調(diào)制作用優(yōu)化優(yōu)化分析各個(gè)表面分別對(duì)光線的調(diào)制作用分析各個(gè)表面分別對(duì)光線的調(diào)制作用選用相同的內(nèi)表面和外表面左側(cè)，對(duì)比用不同母線不同母線構(gòu)建的外表面右側(cè)對(duì)光型產(chǎn)生的影響對(duì)比可得，外表面右側(cè)主要影響光型的整體輪廓，母線的微小改變會(huì)導(dǎo)致整體光型的巨大改變優(yōu)化分析各個(gè)表面分別對(duì)光線的調(diào)制作用選用相同的內(nèi)表面和外表面右側(cè)，對(duì)比用