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=d/dS,亮度：L=d/d/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220,路面亮度的测量,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,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(,)=系数表数值/1000/cos3/n,水泥路面（Q00.1）：n=9.457沥青路面（Q00.07）：n=7.522,亮度分布计算流程,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=1:1.2:3.5,某LED路灯测试照度等高线,安装路面,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,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：UL10.70，UL20.51，UL30.59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,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,LED标杆评估范围,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、Excel3D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,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！,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,优化结果,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