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LED室內照明配光分析

在各种照明场所中，灯具的重要性不言而喻。灯具本身的基本作用是提供与光源的电气连接，而在一般情况下，用户最关心的是这一盏灯是否能够照亮我们希望它照亮的地方，是否使我们感觉舒适；然而，对于职业的照明设计师而言，他除了要熟知各种灯体的选材、透镜及反光系统之外，还必须根据灯具的配光曲线了解灯具投射的光斑质量，计算灯具的效率及空间内任意点的照度值，以此还可以计算空间区域内的照度分布情况。因而，我们可以毫不夸张地说，灯具的配光曲线是灯具的生命线。如何了解生命线则成了各个照明设计师的技能标识。在此，我们就一起来探讨一下，LED室内照明灯具的配光究竟是如何一回事。

配光曲线其实就是表示一个灯具或光源发射出的光在空间中的分布情况。它可以记录灯具的光通量、光源数量、功率、功率因数、灯具尺寸、灯具效率包括灯具制造商、型号的等信息。当然最关键的还是记录了灯具在各个方向上的光强。

以灯具中的光源为球心，通过球心和光轴线的剖面作为绘制配光曲线的平面。以光源为极坐标的原点，以光轴线为0°轴，圆的半径长短表示发光强度的大小。在这个极坐标平面上，把灯具从0°开始的各个张角的发光强度绘制在图上，即成为一个灯具的完整的配光曲线。
·
如何看配光曲线
这里的第一张图就是我们最为常见的极坐标配光曲线图了，要想读懂它首先要知道T和A这2条曲线分别来自哪。在图形下面有注释配光曲线的定义：
　　配光曲线其实就是表示一个灯具或光源发射出的光在空间中的分布情况。它可以记录灯具的光通量、光源数量、功率、功率因数、灯具尺寸、灯具效率包括灯具制造商、型号的等信息。当然最关键的还是记录了灯具在各个方向上的光强。
　　配光曲线的分类：
　　配光曲线按照其对称性质通常可分为：轴向对称、对称和非对称配光。
　　轴向对称：又被称为旋转对称，指各个方向上的配光曲线都是基本对称的，一般的筒灯、工矿灯都是这样的配光。
　　对 称：当灯具C0°和C180°剖面配光对称，同时C90°和C270°剖面配光对称时，这样的配光曲线称为对称配光
非 对 称：就是指C0°-180°和C90°- 270°任意一个剖面配光不对称的情况。
　　配光曲线按照其光束角度通常可分为：
　　窄配光 (< 20°)
　　中配光 (20°> 40°)
　　宽配光 (> 40°)
　　其实也没有严格的定义各个厂家的对宽、中、窄的定义也略有不同。
　　说了半天的定义和分类。下面我们来看点实在的东西——支架的配光曲线图：

　　T = C0°-180°
　　A = C90°-270°
这里的第一张图就是我们最为常见的极坐标配光曲线图了，要想读懂它首先要知道T和A这2条曲线分别来自哪。在图形下面有注释：T = C0°-180°A = C90°-270°这个C表示的是水平面的角度(立体角是由水平角度和垂直角度2个角度组成)。0°-180°组成了一个剖面，T就是表示光在这个剖面上的分布情况。在支架中C0°-180°一般被定义为垂直与灯管方向的。同理A就是表示光在C90°-270°剖面上的分布情况。如下图：

　　知道了T和A两条曲线表示的剖面后，我们继续看看这每条曲线是如何来的。
　　极坐标图的原点(同心圆圆心处)为灯具发光面的中心;
　　每个同心圆表示一个光强值，越靠外圈光强越大;
　　图中的各个角度值就是这个剖面上的垂直角度了，向下方向被定义为0°如下图：
　　注意一点：图中有个 cd/1000 lm 的单位，这表示这是一个以千流明为标准的配光，实际的光强需要换算才能得到(如何换算不用说了吧，1000 lm下是50 cd，2000 lm就是100 cd咯!)。这样做是为了方便在不同灯具间进行配光比较。
　　好，在极坐标配光曲线下面一张图其实就是等照度曲线图，就是用曲线把照度相同的点连接起来，相信这个图很容易理解吧，注意这里同样是千流明的等照度曲线图。大家可以上下对应看一下，找找配光曲线的感觉。
　　好了继续，今天我们再来看一个配光曲线，这种表示方式一般多用在投光灯具。同样给大家2张图，其中后一张是等照度曲线图。

　　看看这张曲线图和前面的不一样了吧，其实仔细观察下可以发现他们只是表示方式不一样而已，基本元素都一样。首先是有两条曲线一条实线是C0°-180°，虚线则是C90°-270°。横向的角度值表示剖面上的垂直角度，0度为灯具发光面中心。纵向数值表示光强。同样注意左上角cd/1000 lm。
　　从虚线也就是C90°-270°这条线上可以看出此灯具是非对称配光的。如何看?对称不对称主要是只角度。配光曲线的角度一般是这样定义的：灯具的光束角度为峰值(最大值)光强的一半光强值所包含的角度。以上图为例虚线的峰值大概是在1100cd左右，一半峰值也就是550cd左右，在左边的角度应该是10多度，右边应该不到10度，从而可以判断此灯为非对称配光。这里说到的角度的定义方法是欧标使用的(也是目前国内常用的)，美标略有不同。它是定义为峰值(最大值)光强的1/10光强值所包含的角度为灯具光束角。
　　等照度曲线图也不多说了，很简单的，注意图中的黑点就好，那就是灯具的位置。从此表也可以验证此灯的对称属性，明显光是向前的多向后的少。

· 照明配光基本类型定义
室内照明的配光类型并无专门定义。在道路照明中，CIE和IES都是根据光强的前向分布和侧向分布的组合来定义类型。

　　IES前向分布类型：
　　根据灯具50%光强所勾画的光斑轨迹所在位置与灯具安装点的前后向距离来确定。
　　I类：<1.0MH
　　II类：1.0-1.75MH
　　III类：1.75-2.75MH
　　VI类：>2.75MH
　　IES侧向分布类型：
　　根据灯具光束轴落点位置与灯具安装点的左右向距离来确定。
　　极短：<1.0MH
　　短：1.0-2.25MH
　　中：2.25-3.75MH
　　长：>3.75MH
　　CIE前向分布类型：
　　根据灯具90%光强所勾画的光斑轨迹所在位置与灯具安装点的前后向距离来确定。
　　窄延展：<1.0MH
　　中延展：1.0-1.4MH
　　宽延展：>1.4MH
　　CIE侧向分布类型：
　　根据灯具光束轴落点位置与灯具安装点的左右向距离来确定。
　　短投射：<1.7MH
　　中投射：1.7-2.7MH
　　长投射：>2.7MH

· 配光曲线常见的两种表示方法
方法一：极坐标表示法
　　定义：这种方法通常用于描述室内和道路的灯具的光分布。它很形象地以极坐标的原点表示灯具的光中心，以一定方向的矢量表示光强的大小，以极坐标的角度表示光强矢量与光轴之间的夹角;
　　特点：极坐标表示法的好处就是形象，直观

　　方法二：直角坐标表示法
　　定义：此方法通常用于描述泛光灯和配光非常窄的灯具和光源光的分布。用直角坐标的原点表示光中心，用横坐标表示方向角，用纵坐标表示光强。
　　特定：直角坐标表示法的好处是便于查不同角度的光强数值

光度学的基本知识
　　1、平面角和立体角
　　定义：平面角的单位叫弧度，1弧度是半径为1米的园上，1米长的圆弧对圆心所张的角。立体角的单位叫球面度(sr)，1球面度是半径为1米的球面上，1平方米的球面对球心所张的立体角。

　　2、光通量
　　定义：光通量是光源在单位时间内发出的光量，也即为辐射通量(或辐射功率)能够被人眼视觉系统所感受的那部分有效当量。
　　小解：一只40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明。 光通量符号Φ，单位lm;
　　常见电光源的发光效率，是指1W的电功率能转化成多少光通量。
　　常见光源的大致效率(流明/瓦)
　　白炽灯，15
　　日光灯，50
　　钠灯，120
　　3、发光强度
　　定义：光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向的(发)光强(度)。
　　Ι = dΦ/dΩ 单位：cd 1cd=1lm/1sr
　　实际光源或灯具各方向的发光强度不同。为了描述其发光的空间分布特性，需要用发光强度分布曲线(又叫配光曲线)来表示。它是照明计算和设计的一个重要依据。
　　常见光源发光强度(cd)：
　　太阳，2.8E27
　　高亮手电，10000
　　4、照度
　　定义：表面上一点的照度是入射在包含该点面元上的光通量dφ
　　除以该面元面积dS之商。
　　单位 (lx)单位为勒克斯(lx)，1lx=1lm/m2
　　常见照度(勒克司)：
　　阳光直射(正午)下，110,000 阴天室外，1000
　　商场内，500 普通房间灯光下，100
　　满月照射下，0.2 烛光(20cm远处)，10～15LUX。
　　距60W台灯60cm桌面，300LUX;
　　黄昏室内，10LUX; 夜间路灯，0.1LUX;
　　5、亮度
　　亮度(L，Luminance)，单位尼特，即nit，或cd/m2。
　　定义：光源体在某一方向上,每单位投影面积上所发出的光强。
　　常见发光体的亮度(尼特)：
　　太阳表面，2,000,000,000 白炽灯灯丝，10,000,000
　　阳光下的白纸，30,000 眼能习惯的亮度，3,000
　　满月表面，2,500
　　人眼能比较好的分辨出颜色的亮度，1
　　满月下的白纸，0.07 无月夜空，0.0001
　　常用光度学单位及其相互关系

　　o 光通量Φ(lm)
　　o 光强I(cd)
　　o 照度E(lx)
· 常用的光度测量定律
照度的平方反比定律：垂直于光线传播方向的照度与光源在该方向的光强成正比，与光源到表面的距离的平方成反比。
注意：只有点光源才符合距离平方反比定律。(测试距离不应少于灯具出光口面最大尺寸的10倍
灯具光度学坐标体系
　　一、球体表示的等光强曲线
　　1、光源放于球体中心
　　2、光源的尺寸与球体的半径相比能满足点光源的条件
　　3、球体上的坐标可用来表示此方向的光线
　　4、球面上光强相等的点连接起来，即得如图的灯光强曲线
　　二、空间坐标系统
　　为了表达灯具的光度特性，建立了空间坐标系统
　　空间坐标系统分成二类：
　　灯具光度参考轴向下A-α、B-β、C-γ
　　灯具光度参考轴水平 X-Y、V-H
　　A-α、B-β、C-γ系统

　　A-α、B-β、C-γ坐标体系的特点：
　　适用于各种室内照明灯具和道路照明灯具
　　灯具的光轴垂直向下：
　　A、B、C表示经度的变化
　　α、β、γ表示纬度的变化
　　三、A-α、B-β、C-γ系统之间的转换

　　四、空间坐标系统——X-Y、V-H系统

　　X-Y、V-H坐标系统的特点：
　　1、用于投光灯具、信号灯具、部分电影舞台灯具
　　2、灯具光轴水平放置
　　3、X、V表示经度的变化;Y、H表示纬度的变化

图文解析：四种典型的LED配光曲线

主要用作电器或仪表上的指示灯,发光强度很低。图2 是一支绿色LED 的相互间隔为45°因而共8个剖面上的配光曲线。虽然它们的形状相异甚大,但是法向发光强度均相等,为216mcd ,因为从图中可以看出,仅在靠近法线方向附近的配光曲线的形状是相同的。试想如果没有如图所示的8 条配光曲线,单凭法向发光强度值,就会误认为它是很好的管子。

第二种：椭圆形LED

这是近期才出现的产品,主要用于显示屏。因为显示屏的视角要求左右要大,而上下较小,以便适合人们的视觉特点。所以椭圆形LED 的长轴视场角大,短轴视场角小,见图3 (a) 和(b) 所示。在显示屏上的安装位置是管子的长轴沿水平方向,短轴则是垂直方向。

第三种：交通灯专用LED

　道路交通信号灯虽然颜色分为红、绿、黄3 种,但它们的配光曲线形状却都如图4 所示。与其它LED不同,它的配光曲线呈现一边倒,具有严重的不对称性。这是有道理的,因为交通灯的观看对象无论是机动车司机、骑自行车者或路人,眼睛都远低于交通灯,如果采用一般的单色LED ,则照射到天空上的光毫无用处,在电能上造成很大浪费。

　第四种：单色光LED

　相当比例的单色光LED 的配光曲线如图5 所示,即发光强度的分布呈现周围大中间小。如果用一张白纸映照,会呈现出周围是亮圈而中间是暗斑的图象。其初略解释见图6 所示:一方面,由于LED 的外形相当于存在一个透镜,但却不是一个理想的透镜。另一方面,虽然普通LED 的蕊片截面积仅为011～0125mm2 ,但相对透镜而言蕊片发光的视场角仍显大,所以蕊片不能视作点光源。不同视场发出的光会聚在A 点附近的一个圈上再扩散出去,从而造成在远场附近的光斑出现外亮内暗的现象。

配光类型
特点
透镜配光
· 1、非成像光学的研究基础比较薄弱。
· 2、非球面透镜的曲面设计本身不是太难，但要同时控制立体角上的光能分布目前还是难以随心所欲，某些类型配光实现不理想。
· 3、材料受限，大量采用的PC、PMMA抗老化、抗紫外还是弱点。
· 4、透镜体积影响LED阵列。
反射配光
反射可以完成大部分配光，理论上甚至可以做到平行配光，但实用意义上，VII类、窄角度的V类、VI类尚有难度
面板控光
· 1、面板控光大都限于较宽的配光，有时甚至是为了达到类似漫射光的目的。
· 2、棱晶面板增加可视角度的目的。
· 3、导光板将线性光转化为面光。
· 4、柔光板将点阵转化为极宽V类配光的面光，消除鬼影。
· 5、 扩散点光以达到降低灯具表面亮度、减轻眩光的目的。
组合配光
· 1、组合配光，也叫结构配光，可称之为三次配光，但对整灯来说，依然是基本配光手段。可以达成基本配光，也可以达成个性化的特殊配光，甚至可以在整灯层次进行。
· 2、单模组的I类对称配光通过组合达成非对称的II类、III类配光。
· 3、单模组的V类对称配光通过组合达成对称的I类配光。
· 4、单灯的I类、II类、III类、IV类配光通过整灯层面的组合达成极宽的V类、VI类配光。
Tips：透镜技术和发射技术的比较
· 1、完美情况下，反射光学能比透射光学做的更高。
· 2、对于LED等小体积光源，透射比反射控光能力强。
· 3、透射控光对介质纯度要求高，易出现色散或色变的现象；耐候性比较差；反射控光中，镜面反射则易出现光圈现象，不规则或鱼鳞状等高端反射面设计和制造相对困难些，效果会比镜面的好。
· 4、透射控光的透镜对LED本身具有保护作用；由于兼具透射、折射和反射，透镜体积较小；反射控光的反射器是开放式的，需要另外的措施保护LED。

· 体积——LED单体体积小，要实现精确配光的部件可能很大，但整灯的面积也可能很大，面积在室内照明往往很重要。
· 距离——LED整灯配光不等于LED模组配光；反之亦然，距离可能改变整灯的配光。
· 配光反射——正反射，控制能力低；背反射，则可能的暗区体积变大
· 集成封装式LED——考虑其非点光源，无论反射配光还是透射配光，体积可能庞大到不实用

配光类型—I类S

配光类型-II类A

配光类型—III类

配光类型—IV类

配光类型—V类S

配光类型—V类A

洗墙类灯具配光分析[1]
　　类别：洗墙类灯具
　　定义：洗墙灯，顾名思义，让灯光象水一样洗过墙面，主要也是用来做建筑装饰照明之用，还有用来勾勒大型建筑的轮廓。
　　原理：LED洗墙灯的由于体积比较大，散热方面比较好，所以在设计方面也大大减少了难度，但在实际应用中，也会出现恒流驱动做得不是太好，出现损坏的也不少，洗墙灯能够更好的运行，重点就放在控制和驱动方面，控制和驱动方面。

　　洗墙类细分：线形洗墙灯、点式洗墙灯、凹槽灯
　　分类一：线形洗墙灯
　　以平面照明为主要目的,采用VII类配光才是真正的洗墙灯
　　V类无法组合配光成真正的VII类;右上：需要够窄、够密，着光角度太小，类似VII类;右下：光浪费，立面相对“够”高时，类似V类。

　　灯具与照明距离效果图展示：
　　效果一：灯具与被照面贴近离时，VII类的效果

　　效果二：灯具与被照面贴近离时，类似VII类的效果

效果三：灯具与被照面有距离时，VII类的效果

　　效果四：灯具与被照面有距离时，类似VII类的效果

　　效果图：采用V类配光的单LED，排列后貌似洗墙灯，但问题明显。

　　效果图：下面采用VII类配光的单LED，排列后依然是VII类配光，是真正的洗墙灯
分类二、点式洗墙灯
点式洗墙灯的配光难度更大，反射很难达成，无法采用组合配光达到目的。

　　效果一：V类配光，不均匀，光通量浪费在地面

　　效果二：VII类配光，更均匀，采用简单的.IES文件模拟。

　　分类三、凹槽灯
　　室内照明中凹槽灯的配光不被重视，浪费很大。除非仅仅要达到线形效果，否则凹槽灯要求很严格的VII类配光，且对灯具连续排列时光的无缝拼接要求苛刻。

　　大的凹槽，可采用VII类配光透镜。
　　小的凹槽，受限于空间和成本，反射辅助控光是主要手段
　　应用场所：
　　单体建筑、历史建筑群外墙照明。 大楼内光外透照明、室内局部照明。绿化景观照明、广告牌照明。医疗、文化等专门设施照明。酒吧、舞厅等娱乐场所气氛照明等

投射类灯具配光分析
类别：投射类灯具
　　定义：投射类灯具用于强调被照体从用光角度看，做建筑装饰照明之用，还有用来勾勒大型建筑的轮廓，投射灯的条形结构的散热装置显得更加好处理一点。大体分为：IV类、V类、VI类
　　投射灯分类：射灯、筒灯、吸顶灯、天棚灯、投光灯
　　分类一：射灯
　　似乎都是V类窄光束的配光

　　分类二：筒灯
　　筒灯大部分时间被当做一般照明的工具来使用，除了上面提到的洗墙，其他差不多都是V类配光。

　　用于一般照明的筒灯需要高效。面板控光不能过于追求“匀面”效果

　　筒灯内壁的反射是影响配光的因素。尤其在窄V类配光中，要求精确控光，而内壁反射容易破坏配光的精确度。

分类三：吸顶灯
　　几乎全部都是宽V类。由于无法有效遮光，灯具表面亮度需要控制。面板控光成为主要手段。

　　分类四：天棚灯
　　天棚灯通用V、VI类配光。根据需要也可以有I、II类配光，但III、IV类较罕见。

　　可通过组合配光达成整灯VI类乃至VIII类配光，整体上，VI类配光很容易满足场地照明的需求，多灯组合的天棚灯则可以在灯具层面上进行组合配光，具有更强的灵活性。

分类五：投光灯
　　室内空间使用投光灯主要是解决基本照明。II、III、IV类最常用。

　　II、III、IV类最常用

　　室内空间三维比例变化多端，灯具外观要求统一，配光却要多样。
　　为了满足大距高比空间，IV类最合适。

　　小型投光灯大都用于重点照明，故V类配光居多，尽管窄V类本身“防眩光”，还是要注意灯具结构上的截光或遮光设计。

悬吊式灯具配光分析
类别：悬吊式灯具
　　定义：悬吊式灯具这里指的是多功能上下照灯具，兼具功能照明和氛围照明。
　　悬吊式分类：上下照吊灯、多功能吊灯
　　分类一：上下照吊灯
　　需要同时考虑上半球和下半球的光分布。一般来说，上半球配光以散光为主，为防尘多采用面板控光。

　　分类二：多功能吊灯
　　多功能当然指的是照明方面的。向上：反射照明渲染氛围;向下：直射照明满足功能，均宽V类配光;下照：控制光束，降低垂直照度。

　　上1/3下2/3，翻转灯具可以变换配光。下照筒灯采用窄V类配光，投影时不影响屏幕。

照明光学概念与分类
　　1、照明光学基本概念
　　照明光学属于非成像光学，通过分布光能量方向和强弱进行设计，转换成受照区域照度或亮度的形式，最终满足照明视觉需求。
　　2、照明光学分类
　　照明光学主要分为透射光学和反射光学
　　透射光学主要以透明介质作媒介，以折射与反射光混合方式出光，得到控制光线走向的目的;面板控光属于透射光学。
　　反射光学主要以镜面或漫反射面为媒介，以反射形式出光，从而得到控光目的。
　　光学分析：
　　照明的透射光学，大都以透镜形式通过折射和反射混合来实现光分布。利用能量守恒定律，重新分配光强分布，改变光线的方向和大小来实现各种照明方式。
　　基于亮度目标的设计，则相对复杂很多，自由曲面介质不仅要改变光强，还要考虑光强到达受照区域的材质，即其反射程度，还要考虑人眼视觉观察的方向，综合这些终端因素，从而反馈得到光强的最终大小和方向的分布。
　　3、透射光学和反射光学的比较
　　1)出光效率：完美情况下，反射光学能比透射光学做的更高
　　2)控光能力：对于LED等小体积光源，透射比反射控光能力强。
　　3)材质要求：透射控光对介质纯度要求高，易出现色散或色变的现象;耐候性比较差;反射控光中，镜面反射则易出现光圈现象，不规则或鱼鳞状等高端反射面设计和制造相对困难些，效果会比镜面的好。
　　4)其他：透射控光的透镜对LED本身具有保护作用;由于兼具透射、折射和反射，透镜体积较小;反射控光的反射器是开放式的，需要另外的措施保护LED。

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