LED照明产品光学设计

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：
人眼接收亮度：L
路面照度：P

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
检测点排布及距离

路面特性：水泥混凝土
路面的照度分布
灯具在路面的照度分布计算结果(单位：lux) 21.2 20.3 15.1 16.5 15.4 15.2 20.9 21.2
17.8 16.5 14.0 17.5 21.1 14.7 17.5 17.8
10.7 10.6 11.2 12.8 13.6 12.0 10.7 10.7
影响比重 ：53.3% 共同影响比重 ：26.67% 影响比重 ：42.3% 影响比重 ：20%


内容提要 1、LED路灯光学结构演变历程 2、 光学设计案例讲解
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
路面亮度的测量
γ
P
β
α
60～160m
1.5m
1/4车道
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’
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：


换灯施 工成本 维护灯 具成本
综合成本
=
制造成本
+
维护成本
+
可靠性风险成本
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
三种类型的单管模块化形式
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
0.85 0.92 1.13 1.39 1.43 1.12 0.84 0.85

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

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
综合成本 = 灯具制造成本 + 维护成本 + 可靠性风险成本
亮度分布计算流程
q(β,γ)
安装高度H 安装倾角α 悬挑长度s
L(X,Y) （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)
I(ω,θ)
E(X,Y)
路面亮度分布
单盏路灯的照度分布
实例：某路灯的亮度分布转化
某LED路灯测试照度等高线
2
84.5
1.5 1 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -4 -2 0 2 4
159 384 458 234 384 309

测量悬挂高度：2.4m 有效照射面积比例：高：宽：长=1:1.2:3.5
安装路面
α=23° 3.75m L=35m H =11.5m 5m s=1.5m
灯具排布参数
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
பைடு நூலகம்
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
路面照度和路面亮度的关系
指标7 耐候性
LED标杆评估范围
光效评估
对耐候性 的评估
评估范围
光色质量 评估
对配光 设计的 评估
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 26.67% 6.67% 指标3-1 单位功率平均照度 6.67% 指标3-2 单位功率平均亮度 13.33% 指标6 20lux平均照度下单位面积功率 光色质量评估 4.44% 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 6.67% 指标3-2 单位功率平均亮度 6.67% 13.33% 指标6 20lux平均照度下单位面积功率 6.67% 指标4-1 照度均匀度 6.67% 指标4-2 纵向亮度均匀度 2.23% 指标5 环境比 对耐候性的评估 20.00% 指标7 耐候性

照度评价体系指标

平均亮度Lav 总均匀度U0 纵向均匀度UL
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
平均亮度低
总均匀度差
纵向均匀度不好
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
配 光 类 型
光 源 依靠灯体结构配光 形 态
聚光圆形配光 透镜矩形配光 亮度均匀配光
小功率LED 单管大功率 LED 集成封装大 功率LED
基于单管LED的模块化模组
基于集成封装的模块化路灯
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
第四步：模拟
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 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！！！
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 1、LED路灯光学结构演变历程 2、 光学设计案例讲解
内容提要 1、LED路灯光学结构演变历程 2、 光学设计案例讲解
道路照明灯具形态发展轨迹
单颗小功率LED集成 无配光
灯 具 形 态
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
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

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
换算的路面的亮度分布
灯具在路面的亮度分布计算结果(单位：cd/mm2) 1.72 1.73 1.42 2.02 2.03 1.59 1.78 1.73 1.44 1.39 1.32 2.21 2.58 1.42 1.45 1.44
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
LED道路照明：从单管器件封装到集成封装模组
单管器件模组
集成光源+玻璃大透镜
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
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
人眼接收光通量：dφ
接收光通量：dΦ
dΩ 微元面积dS
照度：P=dΦ/dS
亮度：L=dφ/dΩ/dS
《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

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
γ
β

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： 水泥路面（Q0＝0.1）： n = 9.457 沥青路面（Q0＝0.07）：n = 7.522


亮度系数q(β,γ)=系数表数值/1000/cos3γ/n
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
模块化——必然趋势：维护优势
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
设计对象：Cree XPE LED
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。
第一步：确定设计目标
设计目标1：光效系统最大光 强45 °
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
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7-1 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
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
确定的设计思路
+
外表面 内表面
=
第三步：设计并建模
利用3D建模软件（Rhinoceros）构建透镜模型
外表面 内表面
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
– 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
缺点：
– 光源光效低10%-20% – 散热性能更差，寿命预期更短
内容提要 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 3、 光学设计案例讲解
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