LED道路照明中文翻译版本.ppt

LED 道路照明: 背景, 挑战, 与解决方案,2009年2月 美国光学协会 莎益博设计系统商贸（上海）有限公司翻译,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 2,提 纲,道路照明 分类 设计标准 照明基础 发光二极管 设计方法 -非序列光学问题 分析事项 什么时候需要蒙特卡罗? 模型建立 简易光源模型 案例学习 参考文献,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 3,提 纲,道路照明 分类 设计标准 照明基础 发光二极管 设计方法 -非序列光学问题 分析事项 什么时候需要蒙特卡罗? 模型建立 简易光源模型 案例学习 参考文献,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 4,道路照明,目的：能充分地照亮路面，包括附近的人行道、自行车道以及所有障碍物和引导标识。 作为驾驶员，我们会意外地碰到许多潜在的危险。大量的研究已经演示了最好的照明方式来减轻夜晚行车时可能发生的事故。 每一条公路都不同，但是很多组织（例如美国照明工程学会）已经确立了设计的标准，可以决定的最好的照明条件的基础是建立在道路的分类上。,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 5,道路分类,美国照明工程学会(via ANSI/IES RP-8)从应用上把道路分类为： 道路的种类 高速公路 主干道 次干道 其他 对行人的潜在冲突 行人和车辆互相影响的高、中、低的可能性 人行道的种类 四种不同材料的人行道（沥青、水泥等） 简单的BRDF类型,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 6,道路分类(2),地方政府也许会进一步明确，提出更多的限制和要求 截光 光污染 飞机场附近的空间辐射 外观 电气特性 能量 灯具更换计划 环境约束 地震 温度 盐雾,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 7,设计标准,道路的照明 没有考虑路面的反射比 对各种路面的不同需求 还需要计算光度耗散 照明道路的照度 路面的“明亮”程度应被驾驶员观察 考虑人行道的亮度，亮度的一致性和光度损耗 小目标的能见度 要考虑: 目标亮度 背景亮度 观察者的适应度 失能眩光 截光型 如果适用,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 8,提 纲,道路照明 分类 设计标准 照明基础 发光二极管 设计方法 -非序列光学问题 分析事项 什么时候需要蒙特卡罗? 模型建立 简易光源模型 案例学习 参考文献,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 9,照明基本原理,通常,光源的远场光强分布会应用于整个设计过程 光强分布可以用于创建路面照度或亮度 照明设计软件可用于独立地模拟强度、照度和亮度 通常强度分布是照明设备制造商所提供的唯一信息 理解上面提及的所有物理量之间的关系很重要,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 10,一般光度学单位,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 11,光度定义(1),光强(cd) 光通量(lumen) 一个半径为r的球体的表面积是4p r2。因此,1cd点光源射出的总光通量是4p流明,定义: 1坎德拉是频率为540 x 1012赫兹的单色辐射点光源，在某一特定方向发射辐射强度为1/683W / Sr的光时，此方向的发光强度,。 (5401012赫兹相当于标准空气中的波长为555.016纳米。),定义: 1流明定义是强度为1cd的均匀点光源射入距离1米的1平方米表面的光能。,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 12,光度定义(2),照度 (lux) 出射度 (lux) 亮度(cdm-2),LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 13,常见“光源”,一些常见光源的亮度(cd m-2),LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 14,亮度的其它用途,亮度是眼睛能“看”到的。 通常亮度用来描述光源，但也可以用于描述某个表面的反射光. 道路路面,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 15,反平方定律(ISL),反平方定律(ISL):空间上一个点光源的照度与光源与接收者之间距离的平方成比例。 对于一个延伸光源，当光源与接收者之间距离比光源的最大尺寸大10倍时，反平方定律可以忽略。（一般经验法则）,Angle (q),Distance (R),Area (A),Source,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 16,Luminance,Illuminance,Intensity,光度关系: 近似值,Flux,如果距离, R, 很大 I = Illuminance * R2,如果L 是常量 Intensity = L * Projected Area,如果 Illuminance 常量 Flux = Illuminance * Area,如果L 是常量 Flux = L * Etendue 如果 PSA is 是常量 Etendue = Area * PSA,如果 Luminance 是常量 Illuminance = L * Projected Solid Angle,y,x,z,如果强度是常量 Flux = Intensity * Solid Angle,Illuminance,Illuminance da,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 17,色温(CCT),一个“黑体”的操作温度同与之比对的光源/发射器的颜色外观相同 例如: 一个CRT的CCT是9300 K 这个CRT的外观（白色）和操作温度是9300 开尔文 (K)的黑体相似/相同。 一个钨卤灯的CCT是3200 K 灯丝的外观和操作温度是3200开尔文 (K)的黑体相似/相同。 计算很烦琐，需要查表,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 18,显色指数(CRI),对比黑体，将给定光源的的显色能力划分为0 100 黑体(如白炽灯)具有连续光谱,因此能显可见光的光谱内的所有颜色CRI = 100 8标准色样本用于常规CRI（专用CRI可用14色样本） 计算CIE x, y值与每个样本比较 通常，当CRI 80-85时，不建议在对色温有重要要求的应用上使用,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 19,提 纲,道路照明 分类 设计标准 照明基础 发光二极管 设计方法 - 非序列光学问题 分析事项 什么时候需要蒙特卡罗? 模型建立 简易光源模型 案例学习 参考文献,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 20,为什么选择LED?,成本 LED 比其他光源有更高的能量效率 长周期的成本经济效益 相对于卤素灯能省更多能量 寿命 LEDs 比其他光源有更长的寿命 更低的更换成本 颜色 白光LED将会拥有更高的色温, 会比其他光源更白 不会像钠灯那样黄 不会是卤素灯丝那样的琥珀色 灵便性 由于其离散特性,LEDs 有很广的品种范围,可以为设计者在灯的外观上提供很大的灵活性,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 21,大量LED制造商,更多LED规格,Philips LumiLEDs 飞利浦流明 Luxeon (I, III, V, K2, Rebel, Flash) SnapLED SuperFlux OSRAM 欧司朗 OSTAR (Lighting, Projection) Dragon (Golden, Platinum, Diamond) TopLED CERAMOS OSLUX SIDELED FIREFLY 5mm, 3mm Cree 科锐 XR-E XR-C MC-E XP-E XP-C 4550 XR Nichia 日亚 Dozens of LEDs Cotco 华刚 更多,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 22,选择正确的LED,可能的标准 光学输出 配光分布 能量 颜色 色温 色度范围 荧光粉 与RGB混光 机械特性 表面凸起 穿孔 属性 热特性 电气特性,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 23,少量高亮度LED 与多个低亮度LED,两种主要思想 采用多颗低亮度LED 采用少量高亮度LED 低亮度LED 优势 可以降低费用 可以降低热部分的设计要求 可以降低电气部分要求 缺点 更复杂的装配设计(公差等) 更复杂的光学设计 高亮度LED 优势 更少的LED数目 更简单光学设计的可能性 缺点 热部分设计的更高要求,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 24,LED 的分类,LEDs 典型的被生产制造商按亮度和色度来分类. 你的设计必须考虑到非常广泛分类方式,否则这些LED的单价会增加.,Graphics Courtesy: Cree XLamp XP-E and XP-C LED Binning and Labeling Application Note: CLD-AP22.002,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 25,白光 LED: 荧光粉与RGB混光,荧光粉 含有一种或多种荧光粉的蓝光LED 随温度的颜色飘移 组合对保持颜色一致性很重要 不同色温是由不同的制造商供应(10,000K到2700 K). 通常一个制造商只供应1到2个色温 RGB混光 3或4个LED(RGB或RGGB) 有时也用来琥珀色LED代替红光LED 所有颜色都可能在颜色三角形内. 红光/琥珀光LED随温度变的照度衰减速率与蓝光/绿光LED不同. 为了保持颜色一致性有时需要使用主动反馈,Courtesy: Cree XLamp XP-E LED Data Sheet, Data Sheet : CLD-DS18.002,Courtesy: OSRAM OSTAR - Projection LE ATB A2A Data Sheet 2006-09-27,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 26,提 纲,道路照明 分类 设计标准 照明基础 发光二极管 设计方法 非序列光学问题 分析事项 什么时候需要蒙特卡罗? 模型建立 简易光源模型 案例学习 参考文献,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 27,叠加与并排,使用多个LED,你可以选择如何分布. 叠加 所有的LED都对此分布作出同等贡献 低公差系统最佳解决方案 有助于消除由于衰变和颜色组合而产生的误差 并排 每LED只负责此分布的指定部分 如果颜色或通量输出发生变化、将会产生分配不均 不允许单个光源发生错误 有时结合两种类型一起使用是最实用的方法 Sin2 + Cos2 = 1,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 28,3 个主要的设计方法,无二次光学 LED直接安装在一定高度上 “直接” 光学 LED的光直接照射到地面 “间接” 光学 LED的光经过二次光学反射后通过反射面照射到地面 评价：由于效率性能和美学原因每种方法都有它的优点和缺点,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 29,无二次光学,如果你选择的LED的光分布是可以达到要求的 那么这个方式是非常不错的 大部分高亮度LED的光强分布都是朗伯分布 如果你选择的LED的配光很窄，那么可以通过倾斜的方法来配合整体的分布 基本上的倾斜，有同样的类型配合问题。 从很多不同角度直接观察光源 可能会引起眩光 光学效率很难控制,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 30,“直接” 光学,可以进行光学分布的跟踪 -重叠 可以很好的应用高功率的LED -可以转换LED的朗伯分布为其它更有用的分布 可以减少光源可以被直接看到的那些角度的光 光学效率可能会高于无二次光学的情况. 二次光学可以是利用折射或反射,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 31,“间接” 光学,LEDs不是直接向上或向下安装的 可利用二次光学改变LED 光线的方向来照射地面 可能不会直接看到光源 很难有效的利用朗伯分布的LED 的光并很好的控制光线的方向,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 32,提 纲,道路照明 分类 设计标准 照明基础 发光二极管 设计方法 非序列光学问题 分析事项 什么时候需要蒙特卡罗? 模型建立 简易光源模型 案例学习 参考文献,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 33,照明设计和分析软件,此类软件主要有两种： 灯具排布计算软件 先用一系列灯具的配光分布来计算道路的照度, 亮度等 灯具设计软件 设计和分析灯具的配光分布 在以上两种大多数的的软件中以上对应的两种功能都会有一定的交叉重合部分 灯具排布计算软件可以做一些灯具的设计 灯具设计软件可以分析灯具的一些应用 两种软件都有超出道路照明之外的广泛而强大的特性和功能,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 34,如果你有一个配光分布,你可以使用排布程序来调整灯具或LED的空间位置或角度 假设不采用二次光学来改变光源的光强的分布情况 这些光强分布是远场的分布，可不考虑光源的空间分布 有效的距离不要超过距离光源10cm 测试的一般规范 在近场区域，光源的空间分布是不能被忽略的 必须要用到灯具设计软件或其它的光强分析软件,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 35,当光强分布计算不出来的时候,首先当你设计一个灯具，不只是排布，这个时候就会发生光强计算不出来的情况 通常情况我们使用蒙特卡罗模拟技术来计算光强分布 可以模拟光源以及整个道路的照明情况 当光线传播时，所有光线的物理模型传播情况都可以被模拟 反射、折射、体散射、表面散射与光损失等等 可以运用蒙特卡罗技术来进行远场分布建立以便在排布软件程序中使用,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 36,选择一个灯具设计软件,灯具设计软件需要做的工作是： 精确建模LED光源 空间分布、 角度分布 、颜色 精确建模几何模型 表面特性 反射、 折射、 散射、 损失 体散射材料特性 体散射、 荧光、 损失 精确模拟道路照明用的灯具的光分布 考虑人眼的视觉特性,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 37,关于接下来的一些设计,下面的例子主要是讲使用照明设计软件LightTools对不同领域的灯具进行设计和分析. LightTools是一个用在很多工业领域的通用照明设计软件 ，它的应用主要包括： 汽车内部和外部照明 Lcd 背光照明 一般照明 太阳能的采集系统 偏光分析 LightTools 是美国Optical Research Associates开发的两个高级光学设计软件中的其中一个 Code V是另外一个成像和光子学系统的高级光学设计分析和优化软件.,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 38,照明光学,涵盖照明光学的很多应用领域,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 39,其他的应用领域,背光的设计和分析 包括注射成型的网点与印刷式网点的设计 也可设计背光用的增亮膜 可进行背光网点的自动优化,From: ,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 40,例子: 用LightTools做的2个LED的背光设计,在开始的时候使用均匀分布的网点进行优化评估,变化网点半径,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 41,例子：使用LightTools做的键盘背光网点设计,使用一个LED做的键盘背光设计,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 42,提 纲,道路照明 分类 设计标准 照明基础 发光二极管 设计方法 非序列光学问题 分析事项 什么时候需要蒙特卡罗? 模型建立 简易光源模型 案例学习 参考文献,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 43,LED 光源建模,需要考虑的最重要的一个导入模型设计之一 如何设计决定了你所用的很多不同模型能否正确正常使用. 点或面光源可使用角度矫正功能 只能是远场光强的模型 测量得到的光线 数据 光源 比如 Radiant Imaging sources 能够精确建模光源的近场空间分布 和角度分布 肯能不会考虑色温 典型的基于测量的光源 全封装几何结构建模 最好的建模方式 精确建模有一定难度 LED 厂家不提供芯片的详细结构 可以模拟光源的变化程度,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 44,其他的建模考虑的因素,开始相对简单，设计过程的复杂度有所增加 例如: 如果是使用反射面，刚开始会用简单的散射模型代替全分布的BRDF测试数据 如果不是做色度分析, 你可以做简单的光源建模 你可以模拟光源的全光谱及莹光粉, 但可能不是必须的 考虑模拟噪声 蒙特卡罗模拟具有统计噪声。此噪声与光线追迹的数量成反比 追迹更多的光线会降低系统的噪声,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 45,提 纲,道路照明 分类 设计标准 照明基础 发光二极管 设计方法 非序列光学问题 分析事项 什么时候需要蒙特卡罗? 模型建立 简易光源模型 案例学习 参考文献,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 46,设计目标,满足任何类型路面的推荐的最小照度要求,From ANSI/IES RP-8-00,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 47,案例学习#1,27 个 Cree XR-E LEDs 无二次光学 路灯高度为5米,LED Roadway Lighting: Background, Challenges, and Solutions, Slide 48,案例学习#1 (2),可使用SolidWorks 来进行机械结构设计 The SolidWorks 的结构可导入到LightTools中 可以在软件中设定所有材料表面的光学属性 如路灯的机械结构会吸收光线 光线通过透镜会有菲涅耳损失 在模型中放置光源和接收器 每个光源发出的光通