LED照明产品光学设计

LED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LED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经测试，照度均匀性达到0.68；不过人眼和照相机看到的是如此景象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亮度的关系照度：P=dΦ/dS亮度：L=dφ/dΩ/dS微元面积dSdΩ接收光通量：dΦ人眼接收光通量：dφ《城市道路照明设计标准》的两种评价体系《城市道路照明设计标准》对机动车交通道路照明的要求亮度评价体系指标平均亮度Lav总均匀度U0纵向均匀度UL照度评价体系指标平均照度：Eav照度均匀度UE亮度指标——人眼的直观感受的指标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2’~20’路面亮度的测量γβα1.5m1/4车道60～160mP计算“检测”路面亮度的方法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采用理论计算的方法“检测”路面亮度：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由路面照度和亮度系数决定：亮度系数q：路面某一点亮度与该点照度的比值反映了路面的反射特性：散射角分布，路面反射率“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：L路面照度：P亮度系数的转换与计算“设计标准”的亮度系数表简化亮度系数：无法直接使用，需要处以一个系数n转换转换系数n的计算：决定条件：平均亮度系数Q0计算公式：计算结果：亮度系数q(β,γ)=系数表数值/1000/cos3γ/n水泥路面（Q0＝0.1）：n=9.457沥青路面（Q0＝0.07）：n=7.522γβ亮度分布计算流程E(x,y)I(ω,θ)安装高度H安装倾角α悬挑长度s（X，Y）对应的(ω,θ)（X，Y）对应的(x,y)E(x,y)与E(X,Y)关系E(X,Y)q(β,γ)L(X,Y)单盏路灯的照度分布路面亮度分布实例：某路灯的亮度分布转化测量悬挂高度：2.4m有效照射面积比例：高：宽：长=1:1.2:3.584.5159234309384384458-4-2024-2-1.5-1-0.500.511.52某LED路灯测试照度等高线安装路面s=1.5mH=11.5mα=23°L=35m3.75m5m路面特性：水泥混凝土灯具排布参数检测点排布及距离平均照度：15.6lux照度均匀度：0.68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21.220.315.116.515.415.220.921.217.816.514.017.521.114.717.517.810.710.611.212.813.612.010.710.7灯具在路面的照度分布计算结果(单位：lux)平均亮度Lav：1.49（cd/mm2）总均匀度U0：0.56各车道纵向均匀度UL：UL1＝0.70，UL2＝0.51，UL3＝0.59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换算的路面的亮度分布1.721.731.422.022.031.591.781.731.441.391.322.212.581.421.451.440.850.921.131.391.431.120.840.85灯具在路面的亮度分布计算结果(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=灯具制造成本+维护成本+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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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=制造成本+维护成本+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、LED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620lux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评估光效评估对耐候性的评估对配光设计的评估评估范围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620lux平均照度下单位面积功率光色质量评估指标2色温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620lux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对耐候性的评估指标7耐候性26.67%6.67%6.67%13.33%4.44%6.67%6.67%13.33%6.67%6.67%2.23%20.00%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——MATLAP、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：Floodlight泛光灯照明要求被照物体：墙面照亮面积：高6m，宽1~4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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计与优化的过程设计对象：CreeXPELED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）构建透镜模型第三步：设计并建模外表面内表面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。如下图所示第四步：模拟第五步：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①最大光强角过小②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③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！！！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InteractiveOptimizer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6×15m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——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——