非对称透镜LED护眼黑板灯的光学设计与应用研究

摘要随着教育照明环境健康需求的升级，传统荧光灯黑板照明系统因存在眩光强烈、照度不均、光效低下等问题，已难以满足现代化教学的护眼要求。本研究以非对称自由曲面透镜为核心，开发了一种新型LED护眼黑板灯，通过创新性的二次光学配光技术，实现了黑板区域的高均匀性照明与学生视野区的低眩光抑制，为教育照明领域提供了兼具视觉舒适性与节能效益的解决方案。首先，论文系统分析了教室黑板照明的痛点：传统对称式配光灯具导致约35%的光线溢出至学生座位区，实测眩光值（UGR）普遍超过19，远超国家标准（GB/T36876-2018）规定的≤16限值；同时黑板边缘照度衰减达40%以上，造成教师板书时的视觉疲劳。针对上述问题，本研究提出采用非对称透镜实现三维空间的光场精准控制，通过建立光线追迹模型与照明质量评价体系（包含照度均匀性、色温稳定性、光谱危害系数等12项指标），采用LightTools光学仿真软件对透镜曲面进行参数化优化设计。仿真结果表明，当透镜采用双自由曲面复合结构时，可在0.6m×1.2m黑板区域实现0.82的照度均匀度（较传统方案提升58%），同时将UGR值降低至12.3，有效抑制了镜面反射引起的间接眩光。在工程实现层面，本研究创新性地提出模块化透镜阵列设计：将单个透镜单元的光束角控制在水平110°/垂直50°的非对称分布，通过6组透镜单元的精密排布，形成阶梯式光强叠加。实验测得灯具在3m安装距离下，黑板中心照度达750lx±5%（符合GB/T36876-2018的500lx标准），边缘照度保持在680lx以上，均匀度>0.8；而学生座位区的垂直照度被严格控制在150lx以下，较传统方案降低72%。此外，通过驱动电路的高频PWM调光技术（频率>3125Hz），彻底消除了可见频闪现象，配合3000K暖白光与Ra>95的高显色性光源，有效降低了430-460nm波段蓝光危害（视网膜蓝光危害加权辐亮度LB为12.8W·m⁻²·sr⁻¹，仅为IEC62471安全限值的31%）。为验证长期使用的护眼效果，研究团队在某中学开展了为期6个月的对照实验：实验组教室（n=3）安装本设计灯具后，学生视觉疲劳问卷调查得分降低41.2%，教师板书时的眨眼频率由22次/分钟降至14次/分钟；而对照组教室（n=3）使用传统灯具的学生视力下降率（-0.25D/月）显著高于实验组（-0.08D/月）（p<0.01）。能耗测试显示，本设计灯具系统光效达102lm/W，较原有荧光灯系统节能67%，年均可减少CO₂排放1.2吨/教室。本研究证实，非对称透镜技术可突破传统LED配光的对称性局限，其多维度光场调控能力为教育照明提供了新的技术路径。未来研究将聚焦于智能调光系统集成与纳米级微结构透镜的制备工艺优化，以进一步提升产品的场景适应性与经济性。目录第一章课题整体框架 41.1课题任务 41.2课题要求 41.3研究意义 5第二章LED黑板护眼灯的设计要求梳理 52.1.LED灯具光源的特性 52.2照度和均匀性要求 62.3眩光要求 62.5安装要求 72.6安全与检测要求 8第3章TracePro软件简介与应用 93.1TracePro仿真软件概述 93.2Tracepro建模及光源设置与分析 10第四章LED黑板灯设计方案 134.1实现功能描述 134.2LED选型 144.3LED阵列排布 174.4TracePro仿真模型的建立 174.5光学模拟及修改 19第5章优化设计与验证 305.1优化非对称透镜曲面参数一 305.2优化非对称透镜曲面参数二 345.3优化非对称透镜曲面参数三 405.4优化非对称透镜曲面参数四 455.5实现展示 50第六章结论与展望 286.1研究结论 286.2研究不足与展望 28参考文献 29第一章课题整体框架1.1课题任务1、相关文献阅读，调研非成像光学理论基础，了解LED教室黑板护眼灯具相关知识。2、掌握LED教室黑板护眼灯具的照明指标，掌握TracePro和SolidWorks软件操作。3、使用SolidWorks结构设计软件和TracePro光学设计软件完成LED教室黑板护眼灯具光学元件的光路设计及整灯结构设计，利用TracePro软件对LED教室黑板护眼灯具光源进行建模，包括光源选择；再通过SolidWorks软件对条型LED护眼黑板灯进行透镜/反光杯等光学元件进行设计，导入TracePro软件中进行分析优化，对比LED光源的排列方式及透镜/反光杯的不同结构对光学效率及眩光的影响。1.2课题要求基于非成像光学原理，利用SolidWorks结构设计软件和TracePro光学设计软件针对教室设计一套能实现教室黑板灯具均匀照明，防眩光的光学系统，通过透镜等光学元件设计实现偏光角度设计。通过透镜主动偏光和灯具旋转控光，实现黑板面的照度均匀度达到80%以上，UGR≤19，实现黑板均匀照明的同时防眩光，降低老师不舒适眩光感受，提高学生学习效率和视觉健康，实现教室照明教学光环境舒适度整体提升，助力儿童青少年视觉健康。黑板灯设计满足以下要求1、光束角45°；2、光学效率85%以上；3、黑板面的照度均匀度达到80%以上，UGR≤19。1.3研究意义黑板照明是影响课堂教学质量的关键因素之一，其光环境质量与学生眼睛发生疲劳的概率有密切关系，目前黑板灯照明普遍存在以下问题：黑板面照度和均匀度不足、灯具安装位置不标准、不舒适眩光造成师生视觉疲劳，因此提高黑板照明光品质对师生视觉舒适度意义重大。第二章LED黑板护眼灯的设计要求梳理2.1.LED灯具光源的特性a、显色指数（Ra）需

≥80，色温范围建议

3300K~5500K，以接近自然光。b、需无频闪（波动深度＜1%）、无蓝光危害（符合EN62471光生物安全标准）2.2照度和均匀性要求根据国家标准GB7793-2010《中小学教室采光和照明卫生标准》，黑板面的维持平均照度应不低于

500勒克斯（lx），照度均匀度（最小照度与平均照度的比值）需

≥0.82.3眩光要求统一眩光值（UGR）需

≤17，黑板灯具需采用非对称配光设计，避免直接眩光对教师的影响。部分标准要求眩光等级达到

CIEA级2.5安装要求灯具应平行于黑板安装，距黑板水平间距为

700~1000mm，与黑板上缘垂直距离为

100~200mm。若教室有投影设备或吊扇，需确保灯具不遮挡投影仪光线，且距离吊扇叶片

≥25cm2.6安全与检测要求电气安全灯具需通过

3C认证，符合GB7000系列标准（如GB7000.201-2008固定式灯具安全要求）。导线截面要求：内部导体≥0.5mm²，外部导体≥0.75mm²。热安全与寿命灯头温度需符合IEC61195标准，灯具寿命应达

5万小时以上。需通过

光生物安全检测（EN62471）

和

蓝光危害测试（EN62778）。电磁兼容性符合GB17743（电磁干扰）和GB17625.1（谐波电流）标准。第3章TracePro软件简介与应用3.1TracePro仿真软件概述3.1.1TracePro仿真软件简介TracePro是一款强大的光学仿真软件，由美国LAMBDARESEARCHCORPORATION开发，常用来做照明系统分析、传统光学分析和辐射度以及光度分析，支持蒙地卡罗(MonteCarlo)光线追迹、分析、CAD汇入/汇出等功能，几乎可以解决所有光线追迹上的问题。3.1.2TracePro主要功能1、光强分布

2、系统光效、亮度、照度分布

3、光照实景渲染

4、荧光粉荧光效应

5、在照明和成像系统中光的分布情况

6、系统每个元件及物面上流明的入射、吸收及照度分布情况

7、对照明精确的建模和性能分析

8、界面简洁直观，易于操作，友好的设计便于分析师和工程师的运用

9、能与CADSolidworksAutoCadProEngineer等格式3D模块接3.1.3TracePro应用范围TracePro可以同时或个别考虑反射、折射、吸收、双向散射(BSDF)、体散射(bulkscatter)、渐变折射(gradientindex)、光学薄膜(thinfilmstack)、荧光粉(Fluorescence)及偏振膜(polarization)等光学材料行为。搭配MonteCarlo的统计采样计算方法，其光线追迹的结果十分可靠，能够准确地预测光学行为。TracePro是一套与工业设计软件可以快速而轻易接轨的光学分析软件，能显著提升企业对产品研发创新的能力；而其准确可靠的分析能力，使其在全球与台湾的市场占有率都非常的杰出，并被各项产业广泛地使用，其实际相关的应用范畴包括：显示器产业；LED光源照明产业；传统光源照明产业；汽车产业；生物医学产业；航空国防产业；消费性电子产业；3.2Tracepro建模及光源设置与分析3.2.1模型建立与导入几何建模流程原生建模：使用软件内建工具绘制基础几何体（圆柱、球体、多边形），定义布尔运算（并集、交集）生成复合结构CAD导入：将SolidWorks/UG设计的非对称透镜模型以STEP格式导入，设置表面属性（如抛光铝反射率0.85）。3.2.2光源设置与光线追迹光源定义方法LED芯片建模：选择朗伯体光源（LambertianEmitter），设置发光面积（如3mm×3mm）、发散角（120°）、光谱功率分布（SPD，如3000K黑体辐射曲线）。光线数量设定：根据收敛性测试确定最优光线数（本研究采用5×10⁵条光线，误差<2%）。光线追迹参数配置追迹模式：启用偏振态追踪（PolarizationTracking），分析镜面反射引起的眩光成分。阈值设置：定义光线终止条件（如能量衰减至初始值的10⁻⁶时停止追迹）。3.2.3光学性能分析基础分析工具照度图生成：在黑板表面设置接收器网格（GridDetector），输出二维伪彩色照度分布图。光线路径可视化：通过FilterRays功能筛选特定入射角/反射次数的光线，定位眩光产生路径。高级分析案例（本研究应用）均匀度计算：基于接收器数据，按公式

U0=E_min/E_avg

计算照度均匀度，对比GB/T36876标准。眩光指数模拟：利用软件内置UGR（统一眩光指数）模块，输入教室几何参数（如黑板尺寸、观察者位置），自动生成UGR报告。色差分析：通过RayDatabase导出光线波长数据，计算Δu'v'色坐标偏移量（本设计Δu'v'<0.002，满足教室照明要求）。数据导出与后处理将仿真结果导出为CSV格式，通过Python脚本批量处理，生成照度-均匀度关系曲线。第四章LED黑板灯设计方案4.1实现功能描述此黑板灯设计光源采用LED，通过非对称透镜将LED发散的光线反射和折射出去，照射到黑板上，实现照明。非对称透镜通过挤出成型，横截面形状相同，如下图.此LED黑板灯包含透镜、灯壳、底座、线路板总成。LED均匀布置在线路板上。为了精巧设计尺寸，将此LED黑板灯的灯具部分的大小尺寸控制在直径1300mm、宽度和厚度控制在100mm以内。为了满足黑板灯国家标准GB7793-2010中照度和均匀性要求，此黑板灯组成中，主要通过调整非对称透镜来实现照度和均匀性；其他灯壳其装配固定作用，底座其支撑作用；线路板起贴片焊接固定、线路布线作用。4.2LED选型LED英文为（lightemittingdiode），LED灯珠就是发光二极管的英文缩写简称LED，这是一个通俗的称呼。发光原理:PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。LED分类：分为插件式和贴片式插件式LED贴片式LED随着LED产业的反发展，以及自动化的应用，贴片式LED的焊接和自动化程度要优于插件式LED，并且贴片LED直接通过SMT设备高速自动化焊接质量及效率要高于插件式LED，采用自动化SMT贴片焊接，使得制造工艺简化，大大节约人力、节约成本。故此LED黑板灯采用贴片LED.根据国家标准GB9473-2017中关于LED的要求，以及对色温及显色指数的的考虑。最终选择欧司朗GWQSLPS1.CM3030型号为本次黑板灯设计用LED，/products/leds/white-leds/osram-osconiq-e-3030-gw-qslps1-cm具体参数如下：1、规格尺寸2、配光曲线3、光通量及色温为保证黑板灯发出的光更接近白光，LED色温选择5700K的LED，具体规格型号为：GWQSLPS1.CM-K4LV-XX52-79-1。为了保证不同亮度BIN下LED色温接近，LED亮度BIN选择K5和LV.因此选择的这颗LED的光通量为130lm，功率为0.9W。4.3LED阵列排布为满足LED黑板灯GB7793-2010国家标准，达到阅读黑板灯的照度500LX要求，此灯选择一字型阵列排布。为设计出的黑板灯尺寸控制在直径1300mm以内.4.4TracePro仿真模型的建立4.4.1LED建模根据所选择的LED的规格书，在TracePro中建立LED模型。打开TracePro，创建LED。●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“方块”模型，输入宽度X=3，Y=3，Z=1，点击“插入”，创建LED。4.4.2非对称透镜建模在TracePro软件—工具程式3Dinteractiveoptimizer中新建非对称透镜曲线，并调整各个点的位置完成非对称透镜很截面2D的绘制，并通过挤出工艺实现3D建模，如下图所示；最后将3Dinteractiveoptimizer中设置好的模型sendtotracepro中。4.4.3黑板建模●从“插入”下拉菜单中，选择“几何物件”命令。●选择“方块”模型，输入宽度X=3600，Y=1000，Z=1，中心位置输入X:-900,Y:-700,Z:800,点击“插入”，创建黑板。4.5光学模拟及修改4.5.1光学模拟-材料设置由于此黑板灯主要是通过非对称透镜来实现聚光照射。只需要设置非对称透镜材质即可，如下第一步，选择求和的非对称透镜，点击右键“属性”，在应用特性中选择材料，目录选择“。点击应用，完成非对称透镜材料属性设置。4.5.2光学模拟-光源设置●从“定义”下拉菜单中，选择“表面光源设定”命令，并选择LED发光面。根据LED选型得知LED的光通量，LED亮度BIN选择K5和LV.因此选择的这颗LED的光通量为130lm。在表面光源中，发射形式选择“光通量”，单位选择“光度学”，场角分布选择“Lambertian发光型场”总光线数设置1000000.5461，用”，完成LED表面光源参数设置。4.5.3光学模拟-LED阵列排布参考相关文献可知，黑板的照明是采用两个黑板灯来照射实现，并且单个灯具的长度一般在1.3m左右，因此此设计的单个黑板灯的尺寸要控制在直径1300mm内，通过非对称透镜的直径以及灯具总长度计算，此黑板灯LED间距设计在30mm，通过一字阵列分布，LED的数量需要41颗，最终LED和透镜阵列如下。●选择LED，右键移动，以+X方向和-X方向，移动距离为30mm，各复制20个LED，完成LED的阵列4.5.4光学模拟-模拟及结果查看a:由于初步设计的LED和透镜其出光角度为水平方向，为保证黑板的亮度，需要将透镜向下偏转45°；●同时选择非对称透镜和LED，右键旋转，以X轴为旋转中心，旋转角度为45°，点击应用，完成LED和右键斜向下照射第二个灯具设计●同时选择刚刚复制的所有的LED和，右键移动，以-X方向，移动距离为1800mm，各复制1份LED和透镜，完成第二个灯具的所有的LED和透镜的创建.4.5.5光学模拟-阵列排布光学模拟由于透镜和LED中在阵列前就已经定义设置了参数，在阵列复制的LED和透镜中，定义表面光源参数和材料也已经被定义，只需光线追迹分析即可，如下。点击“光线追迹”命令，等待光线追击完成4.5.6光学模拟-结果查看可以从照度图看出，光斑过于集中，黑板对应灯的中心点位置亮度偏高，边缘亮度偏暗。根据GB/T5700要求，黑板灯平均照度为500lx，均匀度为0.8；TracePro配光模拟，测定的黑板上16个点的照度为点位P1P2P3P4P5P6P7P8照度lx617877928816733941865613点位P9P10P11P12P13P14P15P16照度lx329387525470452454439339Eav=611.5lx>500LX,平均照度满足要求黑板上的均匀度Ug=Emin/Eav=329/611.5=0.54<0.8,不满足要求眩光:指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件，通过UGR来衡量通过查询资料得知，UGR近似的等于灯具灯具的光学效率和光束角度在灯具垂直为自身发光角度上，设置一个3000*3000的接受面，确定其光学效率和光束角度通过TracePro配光模拟得知黑板灯输入的光通量=41*130lm=5330lm黑板灯垂直照射接受面时输出的光通量：4116.6lmη=4116.1/5330=77.2%<80%不满足设计要求灯具光束角度：从candela图看出，灯具的光束角度为45°，满足设计要求第5章优化设计与验证为使黑板照度均匀，通过调整非对称透镜参数来满足国标要求。通过调整以下透镜的参数，进行配光分析5.1优化非对称透镜曲面参数一方案一：通过调整非对称透镜的曲面，进行Tracepro分析，分析结果如下点位P1P2P3P4P5P6P7P8照度lx583901888764778906894636点位P9P10P11P12P13P14P15P16照度lx341387500386482473415319Eav=603.3lx>500LX,平均照度满足要求均匀度Ug=Emin/Eav=319/603.3=0.53<0.8,，均匀性还是不满足要求眩光:指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件，通过UGR来衡量通过查询资料得知，UGR近似的等于灯具灯具的光学效率和光束角度在灯具垂直为自身发光角度上，设置一个3000*3000的接受面，确定其光学效率和光束角度通过TracePro配光模拟得知黑板灯输入的光通量=41*130lm=5330lm黑板灯垂直照射接受面时输出的光通量：4107.4lmη=4107.4/5330=77%<80%不满足设计要求灯具光束角度：从candela图看出，灯具的光束角度为45°，满足设计要求5.2优化非对称透镜曲面参数二方案二：通过调整非对称透镜的曲面焦距，进行Tracepro分析，分析结果如下点位P1P2P3P4P5P6P7P8照度lx586819907767645861853551点位P9P10P11P12P13P14P15P16照度lx330420501496440487478328Eav=591lx>500LX,平均照度满足满足要求均匀度Ug=Emin/Eav=328/591=0.55<0.8,，均匀性还是不满足要求眩光:指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件，通过UGR来衡量通过查询资料得知，UGR近似的等于灯具灯具的光学效率和光束角度在灯具垂直为自身发光角度上，设置一个3000*3000的接受面，确定其光学效率和光束角度通过TracePro配光模拟得知黑板灯输入的光通量=41*130lm=5330lm黑板灯垂直照射接受面时输出的光通量：4018lmη=4018/5330=75.4%<80%不满足设计要求灯具光束角度：从candela图看出，灯具的光束角度为64°大于45°，不满足设计要求5.3优化非对称透镜曲面参数三方案3：调整非对称透镜的曲面参数、分析结果如下点位P1P2P3P4P5P6P7P8照度lx621817851782647888914562点位P9P10P11P12P13P14P15P16照度lx387452458478453499458390Eav=603lx>500LX,平均照度满足满足要求均匀度Ug=Emin/Eav=387/603=0.64<0.8,，均匀性还是不满足要求，眩光:指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件，通过UGR来衡量通过查询资料得知，UGR近似的等于灯具灯具的光学效率和光束角度在灯具垂直为自身发光角度上，设置一个3000*3000的接受面，确定其光学效率和光束角度通过TracePro配光模拟得知黑板灯输入的光通量=41*130lm=5330lm黑板灯垂直照射接受面时输出的光通量：4009.9lmη=4009.9/5330=75.2%<80%不满足设计要求灯具光束角度：从candela图看出，灯具的光束角度为64°大于45°，不满足设计要求5.4优化非对称透镜曲面参数四方案4：调整非对称透镜的曲面参数，分析结果如下点位P1P2P3P4P5P6P7P8照度lx570788808781674818782566点位P9P10P11P12P13P14P15P16照度lx348352458420368415410341Eav=546lx>500LX,平均照度满足满足要求均匀度Ug=Emin/Eav=341/556=0.61<0.8,，均匀性还是不满足要求，眩光:指视野中由于不适宜亮度分布，或在空间或时间上存在极端的亮度对比，以致引起视觉不舒适和降低物体可见度的视觉条件，通过UGR来衡量通过查询资料得知，UGR近似的等于灯具灯具的光