编号
潍坊学院
本科毕业论文课题名称:LED家庭照明设计
学生姓名：邱海龙
学号：0906*******
专业：光信息科学与技术
班级：09级1班
指导教师：王春艳
2013年5 月
目录
摘要 (1)
Abstract: (2)
引言 (3)
0.1 课题的引入及意义 (3)
0.2 论文的主要工作 (3)
1 LED发展现状 (4)
1.1 LED行业现状分析 (4)
1.2 LED照明基础知识 (4)
2 LED配光模拟与设计 (7)
2.1 配光模拟软件Lighttools (7)
2.1.1 lighttools软件界面简介 (7)
2.1.2 lighttools简单配光模拟实例 (9)
2.2 lighttools透镜设计实例分析 (13)
2.3 效果图 (15)
3 家庭空间设计与照明模拟 (17)
3.1 德国照明软件Dilux (17)
3.2 Dilux室内简单布光设计实例 (18)
3.3 效果图 (20)
4 LED家庭照明设计 (22)
4.2 3Dmax设计客厅设计实例 (23)
4.3 效果图 (29)
5 结束语 (32)
参考文献 (34)
致谢 (36)
LED家庭照明设计
摘要
LED照明产品作为第四代LED面光源，被称为第四代照明光源或绿色光源，相比传统的照明产品，它具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。
本文主要涉及的是白光LED家庭用照明产品，虽然LED产业发展迅速，并得到了国家的大力扶持，但是因为缺少相关的标准，导致目前市场仍然不明朗，但是LED产品必将取代家用白炽灯和节能灯等传统光源，因此LED家庭照明设计的重要性不言而喻。
文章第一章针对LED产品知识和行业现状进行分析；第二章至第三章主要介绍此次家庭照明设计所需用到的三个软件：Lighttools、Dilux以及3Dmax，lighttools主要用于光场模拟和透镜整体设计优化，以期达到精确设计所需灯具类型的目的，Dilux能依据所选灯具进行简单室内布光设计并模拟出工作面照度分布、辉度分布等；3Dmax能在前面设计的基础上，对室内进行精确的设计并输出整体效果图；第四章是综合借助软件模拟家庭照明设计实例。
关键词: Lighttools，Dilux，3Dmax，配光模拟，优化变量，照度，辉度
LED home lighting design
Abstract:
As the fourth generation lighting products , known as the fourth generation of lighting source or green light source, compared to traditional lighting products, it has energy saving, environmental protection, long life, small size and other characteristics, can be widely used in all kinds of instructions:display, adornment, back light, general lighting and urban night scene and so on.
This article is mainly related to the white LED home lighting products, while the LED industry is developing rapidly, and the country's vigorously support, but because of lack of relevant standards, LED to the current market is still unclear, but the LED products will replace household incandescent bulbs and energy-saving lamps such as traditional light source, so the importance of LED home lighting design is self-evident.
In chapter 1 ,it is about the LED product knowledge and industry present situation analysis; The second chapter to the third chapter mainly introduces the three software used by household lighting design: the Lighttools, Dilux and production softwares 3 dmax, Lighttools mainly use light field simulation and the lens on the overall design optimization, in order to achieve accurate design for the purpose of the type of lamps and lanterns, Dilux can according to the selected simple lamps for indoor lighting design and simulate the working face of illuminance and luminance distribution. 3DMAX design in on the basis of accurate design for indoor and outputs the overall rendering; The fourth chapter is integrated with the help of software simulation family lighting design instance.
Keywords: Light distribution simulation，the optimization variables，illuminance,luminance
引言
0.1 课题的引入及意义
LED家庭照明设计是家居设计的一个重要组成部分，也将成为未来室内照明设计的主体，现代的室内装潢设计之美，有很大分一部分是靠光线来表达的，LED（发光二极管）是一种能够将电能转化为可见光的半导体，被认为是继白炽灯、荧光灯之后照明光源的又一次革命。LED照明在不久前国务院下发的《“十二五”节能减排综合性工作方案》备受政策关注。方案明确指出要加快设施节能改造，在居民中推广使用高效节能家电、照明产品，并且将“半导体照明”列入“加大节能减排技术产业化示范”项目中。
当今,人们生活与娱乐的方式已有所改变,很多住宅都采用了开放式的设计。这种设计为房间功能的转换提供了有效的支援。新的娱乐中心与控制系统也改变了人们使用住宅的方式。最能影响家庭环境的装饰项目是照明,因为它在不同的程度上影响着我们的生活。不同形式的照明会左右物体或空间的形象、色调以及它们给人留下的印象。照明既能营造也能破坏室内环境的气氛。出色的照明设计应当把居住者所有的不同需求以及他们的生活方式考虑在内。而未来是LED照明时代的到来，所以LED家庭照明设计在以后将成为家居照明设计的主体。
0.2论文的主要工作
论文针对LED家庭照明设计，首先，从最基础的LED制作工艺和相关概念开始介绍，以家庭照明设计为主体，LED产品介绍为辅逐步让读者对LED进行了解，论文中涉及到三个软件，分别为Lighttools、Dilux、3Dmax，从LED光场仿真模拟和产品透镜优化设计到室内简单灯具布光设计都有涉及，论文中使用3Dmax主要目的是美化家庭设计，使此次设计更加立体化，真实化。
1 LED发展现状
在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。LED球泡灯具与白炽灯比较，其最大的发展动力就是节能环保的优势。但是由于成本过高，导致价格要比传统灯具高了几个档次，要让消费者真正心甘情愿地消费，还需价格的进一步下降。
1.1 LED行业现状分析
“十二五”期间，LED光源技术被我国列入战略性新兴产业。权威数据显示，2010年我国LED产值规模为1260亿元，2011年预计将有50%的增长，达到1800亿元左右，LED行业的投资规模将达到650亿元，在一系列的数字背后，是产业界和政策方携手推动市场繁荣的动力，未来LED照明产业的蓬勃发展已然势不可挡，在整个产业链中，上游的利润回报最高。而上游的核心专利技术集中在日本Nichia(日亚)、Cree(美国科锐)、Osram(德国欧司朗)等为数不多的海外巨头手中。在外延片和芯片领域，美国和日本企业也处于垄断优势，拿走了60%以上的利润。大部分中国LED企业，只能在产业链末端的封装领域，争夺余下不到40%的利润，大量LED企业依靠政府市政工程生存，凭借补贴盈利。
1.2 LED照明基础知识
常见光学参数:
光通量(Flux):光源在单位时间内发射出的光量称为光源的发光通量。光强度(Intensity)：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量。光照度(Illuminance)：单位面积上的光通量。亮度(L，Luminance)：单位光源面积在指定方向上单位立体角内所发出的光通量。色温(K)：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时，黑体的温度称为该光源的色温。
LED工艺制作流程:
LED芯片检验芯片检验芯片检验芯片检验→ LED扩片扩片扩片扩片→LED点胶→ LED备胶反→LED手工刺片手工刺片手工刺片手工刺片→ LED自动装架→ LED 烧结→LED压焊→LED封胶→LED灌胶封装灌胶封装灌胶封装灌胶封装→LED模压封装→LED固化→LED切筋和划片→LED测试
常见LED产品分类及应用:
LED室外照明：路灯、大功率泛光灯、植物生长灯、环保吊灯、工矿灯、隧道灯、彩虹管、护栏灯、景观路灯、补光灯、轨道灯、防爆照明灯、投光灯、玉米灯、航空障碍灯、线条灯、防水软条灯、太阳能草坪灯等。
LED景观照明：射灯、投光灯、地砖灯、灯带、水底灯、洗墙灯、球泡灯、幕墙灯、舞台灯、庭院灯、太阳能灯、草坪灯、彩虹管、蜂窝灯等。
LED室内照明：台灯、灯筒、球炮灯、壁灯、吸顶灯、吊灯、光纤灯、日光灯、模组、灯串、灯带、灯条、射灯、幕墙灯等。
LED交通信号标志灯：交通信号灯、倒计时器、航标灯、可变情报板、航空障碍灯。
很多照明产品并没有严格的使用界限，遵循一定原则和设计理念有效结合使用才能达到理想的照明效果。
下面图示简介几种13年个人收集的比较有创意的灯具：
图1.1MR16：图1.2射灯：图1.3 木桩灯：图1.4 筒灯：
图1.5 球泡灯：图1.6 壁灯：
2 LED配光模拟与设计
灯具的配光曲线有两种方法得到，一种是由分布光度计等专业仪器直接测得，第二种是由专业的光学软件进行模拟获得，分为极坐标和直角坐标配光曲线两种，下面在Lighttools使用中将做详细解读。
2.1 配光模拟软件Lighttools
LightTools是一个全新的具有光学精度的交互式叁维实体建模软件体系，提供最现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透镜、反射镜、分束器、衍射光学元件、棱镜、扫描转鼓、机械结构以及光路。由于 LightTools把光学和机械元件集合在统一的体系下处理，并配有“放置”光源、发射光线的非顺序面光线追迹的强大功能，使它在系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一体设计、杂光分析、照明系统设计分析、单位各部门间学术交流和数据交换、课题论证或产品推广等各环节中均可发挥重要的作用，成为人们理想的工具。
2.1.1 lighttools软件界面简介
界面首页如图2.1所示：
软件常用设置如下：
图2.2
如图2.2所示，系统一般设置为半径模式，透镜材料为PMMA，光源选择光通量参数，其他相关参数依据个人习惯进行设置即可。
2.1.2 lighttools简单配光模拟实例
本例设计目标：光源出光全角度90°，建立LED光源的光谱特性（光源发射波长按照自定义编程输入）和模拟光场分布（角度分布设定为非朗伯光源，自定义编程输入），初步熟悉角度切趾的使用。
如图2.3所示,光谱特性参数表部分：第一列为波长，第二列为波长在光谱中所占的比例。
图2.3
将编辑好的程序加载进软件如图2.4所示：
图2.4
图2.5为照度配光曲线部分参数表：10代表列数，90代表行数；经度0—360度，纬度0—90度,经纬度代表着整个圆球体的发光范围，10列代表着0—360度之间的光强分布，90行的数据代表着0—100度之间的光强分布，数据每列从下向上分别对应的是0度和100度，即零度对应的是图表最下端接近1的数值，表示光线向正前方（0°）传出光强是最大的。
图2.5
如图2.6，将程序加载进光源设置即可：
图2.6
图2.7为参数加载完成后光源发光模拟图和照度光栅图表:
图2.7
图2.8
图2.9
由上例模拟结果分析可知：虽定义光源发光全角度90°，图2.8为针对光源自定义表面角度分布的光强剖切图，即添加了角度分布程序；图2.9为系统默认的朗伯光源光强剖切图。
2.2 lighttools透镜设计实例分析
由于LED照明产品形式各异，二次透镜设计也是多种多样，此例以市面常用的TIR透镜优化设计演示lighttools的配光设计功能。
设计目标：减小LED发光角度，设计过程中需要用到TIR透镜建模方法，Lightools 布尔物体运算，完成后参数仍然可以修改和优化，可以实现准直和均匀照明，可以采用准直和网格的均匀度优化方法。
如下图2.10所示：（CylinderPrimitive_1）圆柱体参数是半径13毫米，长度13毫米，锥度1；基本镜头（LP_1）参数是直径8毫米，厚度5毫米，后表面（LensRearSurface）设置为二次曲面，并添加优化变量；基本镜头（LP_2）参数是直径28毫米，厚度0.1毫米，后表面（LensRearSurface_1）采用二次曲面并添加优化变量；采用准直的优化函数进行优化。
图2.10
下图为透镜参数优化后光场模拟准直的效果：
图2.11
2.3 效果图
从照度光栅图表中能看出光源照度分布情况，从色品图和CCT光栅图表中中能获取灯具色温分布情况。
下图2.12为光场优化模拟后的照度光栅图表：
图2.12
下图2.13和图2.14为色品图和CCT光栅图标:
图2.13
图2.14
3 家庭空间设计与照明模拟
所谓室内照明设计是相对室内环境自然采光而言的。它是依据不同室内空间环境中所需照度,正确选用照明方式与灯具来为人们提供良好的光照条件,使人们在室内空间环境中能够获得最佳的视觉效果,同时还能够获得某种气氛和意境，居室是每个人的最基础的生活环境空间。随着室内设计和整体室内空间设计越来越被现代人所重视，家庭室内照明设计已发展成为生活中不可或缺的一环。LED照明设计围绕人的情感体验、根据不同人有不同的需求，不同年龄的人对光的需求都是不一样的，LED家居照明可利用各种照明技术，提供与之完美合一的光环境。
3.1 德国照明软件Dilux
Dilux是一款德国照明设计软件，能模拟室内、室外、道路等空间照明效果，其强大的照明产品链接库能够及时的提供各种国际知名品牌灯具供设计者进行空间布光设计，并且能导入CAD平面室内设计等，其强大的分析功能能及时对空间照明接收面的照明参数进行分析运算和导出，使设计者能灵活多变的进行室内设计。
室内设计程序界面:
如下图3.1所示为Dilux界面首页，建立新的室内设计案后就进入参数设置页面，在参数设置页面可以自定义房间长度、宽度、工作面高度等，并可以在房间添加多种家具以及设置墙面以及家具接收面的反射系数等。
针对软件界面简单介绍，DIALux 作业环境可分为四个主要工作区域： CAD 视窗区（CAD Window）、元件区（Project tree）、总览表区（The “Guide”）、检验员对