LED照明产品光学设计资料

安装路面
α=23°
L=35m H =11.5m
s=1.5m
灯具排布参数
3.75m
5m
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
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
灯 单颗大功率LED
配
具 单颗大功率LED+聚光型透镜 光
形 态
靠灯体结构倾斜+聚光型透镜 配光
类 型
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
无配光
聚光圆形配光 光 源
依靠灯体结构配光 形 态
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
LED道路照明：从小功率LED到大功率LED
E(x,y)与 E(X,Y)关系
L(X,Y)
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
2 1.5
1 0.5
0 -0.5
-1 -1.5
-2
某LED路灯测试照度等高线
84.5
384
384
458
159
309 234
-4
-2
0
2
4
测量悬挂高度：2.4m 有效照射面积比例：高：宽：长=1:1.2:3.5
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
路面照度和路面亮度的关系
▪ 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
模块化——必然趋势：维护优势
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
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
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：
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
亮度ຫໍສະໝຸດ Baidu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
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 0.85 0.92 1.13 1.39 1.43 1.12 0.84 0.85
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
路面亮度的测量
P
γ
β
α
1.5m
60～160m
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
《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
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
模 物 物 光 电子 具 料 料 源 器件 成 材 加 成 成本 本料工本
成成 本本
▪ 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
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
亮度分布计算流程
q(β,γ)
E(x,y)
安装高度H 安装倾角α 悬挑长度s
I(ω,θ)
（X，Y） 对应的
(ω,θ)
（X，Y） 对应的 (x,y)