1、LED照明标杆产品光学设计照明标杆产品光学设计中山大学半导体系统研究中心佛山市中山大学研究院 研发部部长罗滔内容提要2、光学设计案例讲解1、LED路灯光学结构演变历程内容提要2、光学设计案例讲解1、LED路灯光学结构演变历程道路照明灯具形态发展轨迹单颗小功率LED集成单颗大功率LED单颗大功率LED+聚光型透镜靠灯体结构倾斜+聚光型透镜配光单颗大功率LED+矩形配光透镜/反射杯基于单管LED的模块化模组基于集成封装的模块化路灯配光类型无配光聚光圆形配光依靠灯体结构配光透镜矩形配光亮度均匀配光光源形态小功率LED单管大功率LED集成封装大功率LED灯具形态LED道路照明：从小功率LED到大功率L
2、ED出现的问题：配光问题 LED路灯配光的意义未经配光的LED路灯为琅勃分布，大部分光被浪费未经配光，无法达到道路照明设计规范中的照度均匀度要求LED道路照明：从无配光到蝙蝠翼配光几类完成蝙蝠翼配光的方案几类完成蝙蝠翼配光的方案弯曲面板拼接：光线控制能力弱眩光严重散热不均衡平面+光学结构：光线控制能力强眩光小散热条件统一新的问题：照度均匀但看上去不均匀新的问题：照度均匀但看上去不均匀经测试，照度均匀性达到经测试，照度均匀性达到0.68；不过人眼和照相机看；不过人眼和照相机看到的是如此景象到的是如此景象 路面照度：路面点单位面积接收的光通量 路面亮度：从路面点反射到人眼的光锥亮度 路面照度和路面
3、亮度路面照度和路面亮度的关系的关系照度：P=d/dS亮度：L=d/d/dS微元面积微元面积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城市道路照明设计标准城市道路照明设计标准的两种评价体系的两种评价体系 城市道路照明设计标准城市道路照明设计标准对机动车交通道路照明的要求对机动车交通道路照明的要求n 亮度评价体系指标q平均亮度Lavq总均匀度U0 q纵向均匀度UL n照度评价体系指标q平均照度：Eav q照度均匀度UE亮度指标亮度指标人眼的直观感受人眼的直观感受的指标的指标 驾驶员行车作业时，眼睛直接感受到的是路面亮度不是照度 国际照明委员会和大多数国家以亮度为依据制定道路
4、照明规范 在有条件进行亮度计算和测量的情况下，应以亮度为准平均亮度低总均匀度差纵向均匀度不好 测量点最小间距小于5米，则亮度计：垂直视场角2 水平视场角220路面亮度路面亮度的测量的测量1.5m1/4车道60160mP计算计算“检测检测”路面亮度的方法路面亮度的方法n随着经济和全球科技的发展，亮度评价系统可能也应该普遍成为评测道路照明设计的标准 n采用理论计算的方法“检测”路面亮度：q利用灯具的等照度线或配光曲线，计算得到灯具在某种路面和排布的亮度分布，指导灯具安装和光学系统的改进路面亮度的决定因素路面亮度的决定因素n由路面照度和亮度系数决定：n亮度系数q：路面某一点亮度与该点照度的比值 q反
5、映了路面的反射特性：散射角分布，路面反射率 q“城市道路照明设计标准”附录给出水泥、沥青路面的亮度系数人眼接收亮度：人眼接收亮度：L路面照度：路面照度：P亮度系数的转换与计算亮度系数的转换与计算n“设计标准”的亮度系数表q简化亮度系数：q无法直接使用，需要处以一个系数n转换n转换系数n的计算：q决定条件：平均亮度系数Q0q计算公式：q计算结果：n亮度系数q(,)=系数表数值/1000/cos3/n水泥路面（水泥路面（Q00.1）：）：n=9.457沥青路面（沥青路面（Q00.07）：）：n=7.522亮度分布计算流程亮度分布计算流程单盏路灯的照度分布单盏路灯的照度分布路面亮度分布实例：某路灯的
6、亮度分布转化实例：某路灯的亮度分布转化n测量悬挂高度：2.4mn有效照射面积比例：高：宽：长高：宽：长=1:1.2:3.584.5159234309384384458-4-2024-2-1.5-1-0.500.511.52某某LED路灯测试照度等高线路灯测试照度等高线安装路面安装路面s=1.5mH=11.5m=23 L=35m3.75m5mn路面特性：水泥混凝土灯具排布参数灯具排布参数检测点排布及距离检测点排布及距离n平均照度：15.6luxn照度均匀度：0.68n达到“行业标准”照度评价系统对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 20.3 15.1 15.1
7、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 灯具在路面的照度分布计算结果灯具在路面的照度分布计算结果(单位：单位：lux)n平均亮度Lav：1.49（cd/mm2）n总均匀度U0：0.56n各车道纵向均匀度UL：UL10.7
8、0，UL20.51，UL30.59n结论：在高照度均匀性下，亮度均匀性和纵向亮度性都不一结论：在高照度均匀性下，亮度均匀性和纵向亮度性都不一定达到标准定达到标准换算的换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 1.13 1.39 1.39
9、1.43 1.43 1.12 1.12 0.84 0.84 0.85 0.85 灯具在路面的亮度分布计算结果灯具在路面的亮度分布计算结果(单位：单位：cd/mm2)LED道路照明：从照度均匀到亮度均匀改变配光特性，才能从照度均匀到亮度均匀当最大光强角度从60度左右增加到67度以上，可以达到了道路的亮度均匀性和纵向均匀性要求灯具形态发展趋势：一体式灯具到模块化灯具一体式灯具模块化灯具模块化必然趋势：成本优势模块化大大减小了模具成本（不同瓦数的灯具不需另外开模具）物料成本更低（同样散热面积的多个模组总物料质量小于一体式整灯）小型模组加工方便，加工成本更低有助于大幅降低备料风险综合成本综合成本 =灯
10、具制造成本灯具制造成本 +维护成本维护成本 +可靠性风险成本可靠性风险成本 模具成本物料材料成本物料加工成本光源成本电子器件成本模块化必然趋势：维护优势一体式灯具换光源步骤一体式灯具换光源步骤需整灯取下，换一完全相同的灯具可能灯具完全报废，或光源全部返厂置换模块化灯具换光源步骤模块化灯具换光源步骤卸下模块：单一模块,轻便易拆装模组甚至可以现场置换只更换一个模块，不用全部更换综合成本综合成本 =制造成本制造成本 +维护成本维护成本 +可靠性风险成本可靠性风险成本 换灯施工成本维护灯具成本三种类型的单管模块化形式LED阵列模组+光学透镜/反射杯+灯罩LED阵列模组+光学面罩（去除平板灯罩）LED阵
11、列模组+单颗透镜+露孔压板优点：制造工艺成熟，透镜成本低，不易积灰缺点：结构相对复杂，灯具效率受到影响优点：结构最简单，灯具效率最高缺点：裸露的透镜易积灰、老化、变形优点：易替换，光效高，透镜成本低缺点：易积灰，防水设计难度较大LED道路照明：从单管器件封装到集成封装模组 优势：成本远低于单管器件（100瓦同样光效的光源成本低50%以上）器件失效机制更少，散热器与模组接触好（器件与散热器接触面积小）易于进行外观设计，易形成流线型造型 形式单一、接口标准，易形成标准化器件 缺点：光源光效低10%-20%散热性能更差，寿命预期更短集成光源+玻璃大透镜单管器件模组内容提要3、光学设计案例讲解1、LE
12、D路灯光学结构演变历程2、LED标杆评测结果中体现的光学问题4 标杆评测光学设计部分测试结果分析 4.1 光效评估 4.2 光色质量评估 4.3 对配光设计的评估 4.4 对耐候性的评估LED标杆指标指标1 灯具光效指标2 色温指标3 路面光效指标4 均匀性指标5 环境比指标6 20lux平均照度下单位面积功率指标7 耐候性指标7-1 高低温指标7-2 潮态耐久性指标7-3 开关测试指标7-4 浪涌测试指标3-1 单位功率平均照度指标3-2 单位功率平均亮度指标3-3 眩光指标4-1 照度均匀度指标4-2 纵向亮度均匀度LED标杆评估范围光色质量光色质量评估评估光效评估光效评估对耐候性对耐候性
13、的评估的评估对配光对配光设计的设计的评估评估评估范围评估范围 LED标杆评估范围与标杆指标、指标权重间的关系光效评估光效评估 指标1 灯具光效 指标3-1 单位功率平均照度 指标3-2 单位功率平均亮度 指标6 20lux平均照度下单位面积功率光色质量评估光色质量评估 指标2 色温对配光设计的评估对配光设计的评估 指标3-1 单位功率平均照度 指标3-2 单位功率平均亮度 指标6 20lux平均照度下单位面积功率 指标4-1 照度均匀度 指标4-2 纵向亮度均匀度 指标5 环境比对耐候性的评估对耐候性的评估 指标7 耐候性26.67%6.67%6.67%13.33%4.44%6.67%6.67
14、%13.33%6.67%6.67%2.23%20.00%影响比重影响比重：42.3%影响比重：53.3%影响比重：20%共同影响比重：26.67%内容提要2、光学设计案例讲解1、LED路灯光学结构演变历程透镜的设计流程 确定设计目标 根据设计方向进行初步设计：根据光学原理，设计光线控制思路 编写程序，构建曲面中的控制点和控制线（母线）；将控制点、线利用3D建模软件构建模型 利用光学模拟软件对所建模型进行光线追迹，评估样品的光效，光斑均匀度等参数，提取配光曲线 调整和优化，达到设计目标 利用DIALux模拟在实际照明环境中光斑的分布情况，照度亮度的均匀的等指标光学设计的辅助工具 数学计算软件MA
15、TLAP 、Excel 3D建模软件Rhinoceros 、Pro/Engineer 光学模拟软件TracePro 、Lightools 灯光照明设计软件DIALux设计实例：Flood light泛光灯照明要求被照物体：墙面照亮面积：高6m，宽14米灯具位置：离墙1m，垂直照射，仰角35光通量：单灯2400lm照度要求：要求光在被照墙面上有均匀的照度分布照明特点：属于单侧的投射灯，纵向方向的光分布是非均匀的，要求光纵向集中分布在上方，且光线均匀过渡单盏高压钠灯洗墙灯完成的设计效果第一步：确定设计目标确定设计目标目标配光曲线水平方向对称，垂直方向非对称 以下将根据单透镜泛光灯的设计来详细介绍设
16、计与优化的过程以下将根据单透镜泛光灯的设计来详细介绍设计与优化的过程光源尺寸如下图所示，要保证内表面尺寸必须大于光源尺寸。设计目标1：光效系统最大光强45 接收面零点以上平面的光通量为81.371lm，占总平面的81%设计目标2：射到上半平面的光通量占总光通量的81%第一步：确定设计目标第二步：确定总体光学结构 备选方案1：非对称结构透镜 可行性：纵向方向上的非均匀光分布决定了单透镜必须使用具有内外表面的非对称结构 实施特点：单透镜结构较为复杂，设计困难，开模难度大 装配简单 备选方案2：透镜+反射杯 可行性：利用反射杯来实现光的单侧分布 实施特点：反射杯和透镜均曲面简单易开模 反射杯的精度要
17、求高，实现难度大 需要分别装配透镜与反射杯，容易引入误差+外表面内表面=确定的设计思路 利用3D建模软件（Rhinoceros）构建透镜模型外表面内表面 利用光学模拟软件（TracePro）进行光线追迹把透镜模型代入到TP中，设置透镜材质为PC，建立光源，设定光源发光表面光通量为100lm，建立接收面，进行光线追迹。如下图所示第五步：系统优化评估光斑质量，光效等TracePro模拟所得光斑光效为90.419%，光效较高，但主要还存在三方面的问题最大光强角过小上半平面能量占总平面的能量为的0.82%，零点以下的光通量太多最大光强分布在两侧，中心光强较弱，光斑出现了“空洞”必须对透镜进行优化调整！
18、必须对透镜进行优化调整！系统优化的检测手段 1.利用光学模拟软件自动优化：如利用TracePro的Interactive Optimizer功能设定目标参数进行自动优化（局限性：只能模拟某些特殊结构）2.根据样品的光效，配光曲线，照度情况等分析光线的走向，能量划分等，手动调整模型结构，实现模拟评估优化模拟评估优化得出最优结果的过程系统优化的检测手段 3、利用DIALux模拟在照明场合中光斑的分布情况，照度亮度的均匀度的等指标，检验光斑效果在DIALux中建立615m的墙面，设置墙面反射系数为50%，用不同 的分辨率观察单灯的光斑是否平整，是否圆滑过度，有无杂散光等。从上图可看出，光斑两侧光强较
19、大，中心光强较弱，光斑不平整，这与TracePro中模拟的结果是一致的，这样的光斑是不及格的，必须进行优化调整，把两侧的光往中间聚。系统优化过程 对比光斑形状，光效，照度均匀度，平均照度等参数后找出光斑不足的地方，对透镜进行针对性修改 光斑形状是由各个表面共同作用的结果，为了优化设计效果，首先需要了解每个表面对光斑的调制作用优化优化分析各个表面分别对光线的调制作用分析各个表面分别对光线的调制作用选用相同的内表面和外表面左侧，对比用不同母线不同母线构建的外表面右侧对光型产生的影响对比可得，外表面右侧主要影响光型的整体轮廓，母线的微小改变会导致整体光型的巨大改变优化分析各个表面分别对光线的调制作用
20、选用相同的内表面和外表面右侧，对比用不同母线构建的外表面左侧对光型产生的影响对比可得，外表面右侧主要影响光型的中心细节，不同母线对光型的影响是巨大的优化过程：改变透镜光斑效果观察target在的光斑形状，可得光斑的最大照度为55lux，位置为500mm对比可得，test的光斑最大照度为60lux，大小与target差别不大，但最大照度位置为250mm，高度过低，必须提高光强最大的位置针对光斑照度位置过低，且最大光强左右分离的问题，再对透镜模型进行必要的修改，包括在外表面添加某些必要的表面，削减某些必要的表面等光效为89.878%，上半平面光通量占总平面的92.94%，光斑形状平整，圈圈分明，能
21、量分布合理，最大光强分布在500mm左右，中心光强呈倒三角状。使用TracePro模拟光型如下图所示对比target，test的光斑底部的连续性更好，这是由于光斑中心光强处呈倒三角形影响的。综合来说，test的整体效果比原来设定的设计目标更为合适。这说明了设定的设计目标也只是一个相对较优的结果，通过优化，往往还能发现更适合的光分布。最优结果与设计目标的对比对比：DIALux场景模拟利用DIALux模拟在照明场合中光斑的分布情况，照度亮度的均匀度的等指标，检验光斑效果在不同的分辨率下，光斑都较为平整，分布合理，是较优的模拟效果。再对比灯距为14m的各种情况下的效果，评估此模拟结果的合理性灯距2m模拟效果灯距1.5m模拟效果钠灯本设计本设计光斑连续性优于钠灯设计，尤其在底部靠下位置对比：DIALux场景模拟
