LED家庭照明设计--毕业论文

编号 潍坊学院 本  科  毕  业  论  文 课名称: 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 4.1 专业室内设计软件3DMAX    23 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，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》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1.1 MR16：         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： 图2.1 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”） 、检验员对话框（The “Inspector”） ，如下图3.1所示： 图3.1 3.2  Dilux室内简单布光设计实例    下面进行一个简单会议室室内设计实例，设计参数：长度15米，宽度10米，高度3米，由于空间模型中设置参数太多，其他数据设置不一一列举，各种家具反射系数依据原材料自定义，下图为室内设计平面图，设计中只添加了简单家具配件，只为模拟出室内灯光在工作面上的效果。 此例中天花板悬吊高度设置为0.3米，例中采用LED灯具均为雷士品牌，型号分别为NVC NLEDP5121/40W、NVC NDL105 35W 38°、NVC NLEDD5115/14W等。下图3.2和图3.3分别为会议室平面图和立体图截图。 图3.2 图3.3 3.3  效果图 测光结果图中包含工作面的平均照度和平均辉度以及总光通量，其次软件还可以输出等照度图和点照度图以及指定面的相关参数表。 图3.4 图3.5 工作面点照度图3.6反应了各个区域内的照度值，能更直观的看出布光效果： 图3.6 经POV-ray渲染后的效果图3.7如下：                               图3.7 4  LED家庭照明设计 LED照明产品在家居照明设计中将占据主导地位，由荧光粉的配粉比例控制白光LED的色温，满足不同场合的照明设计，照明设计理论也发展出情景照明理论和情调照明理论，绿色环保以及结构牢固是LED显而易见的特点，室内照明是室内环境设计的重要组成部分，室内照明设计要有利于人的活动安全和舒适的生活。在人们的生活中，光不仅仅是室内照明的条件，而且是表达空间形态、营造环境气氛的基本元素。冈那·伯凯利兹说：“没有光就不存在空间。”光照的作用，对人的视觉功能极为重要。室内自然光或灯光照明设计在功能上要满足人们多种活动的需要，而且还要重视空间的照明效果。 4.1 专业室内设计软件3DMAX    3DMax Design主要应用在建筑、工业、制图方面，在灯光方面有改进，有用于模拟和分析阳光、天空以及人工照明LED 证明的 Exposure 技术，这个功能在viewport中可以分析太阳，天空等，我此次布光主要用到了光度学的目标光源和V-ray光源，渲染使用的是V-ray 2.0。 我使用3Dmax来做效果图，主要是因为Dilux能精确计算室内指定工作面的照度值等相关参数，方便进行室内或者厂房节能改造的方案设计，但要做出精美的效果图却很难，3DMAX软件是由国际著名的Autodesk公司的子公司Discreet公司制作开发，它是集造型、渲染和制作动画于一身的三维制作软件。当前，它已逐步成为在个人PC机上最优秀的三维动画制作软件。本次毕业论文主要采用3Dmax进行家庭室内仿真模拟，并渲染出接近真实的效果图，产生真实的立体场景，此次使用3DMAX主要就是用于模拟家庭布光设计场景图。 由于室内设计中牵涉到物体建模、CAD制图以及材质参数设定、渲染参数设定等诸多问题，根据不同场合布光需求也要分别设计不同方案，我对3dmax掌握的知识比较少，所以下面以一个客厅实例进行此次论文室内设计的内容。    4.2  3Dmax设计客厅设计实例 客厅的主题是明亮，客厅是会客的地方，因此光线一定要充足。光檐照明灯饰有照明与装饰的双重作用，由于没有裸露的光源与灯饰，整个室内空间显得完整而且无眩光，光檐发出的光在空间中分布得均匀柔和，LED灯带常用于这种设计，这样就能营造出温暖的感觉。光檐一般是沿着天花板或墙壁四周而立的，这样可形成四周明亮、较暗的天花板向上延伸的视觉效果。这样用光，就算较矮的天花板也不会显得压抑，而且还可以保证整个空间都笼罩在柔和的灯光里，给人一种温暖的感觉。 我的设计流程：实体建模→附材质→保存模型→布置空间→调用模型→调整大小和位置→V-ray参数设定→V-ray渲染→观察并调整参数渲染→输出效果图 客厅设计中的一些相关模型（对应的材质和贴图也在一起）分别另外存档，方便设计过程中的调用，例如下图4.1中的沙发模型和茶几模型： 图 4.1 参数图4.2左侧为模型VR光学参数表，可以进行调整设置，右侧为多边形的编辑页面，建模过程中常用的修改器命令。 图4.2 复杂模型分别建立后，导入CAD室内平面图进行室内空间的构建，一般是用样条线中的“线”命令加捕捉开关2.5进行平面图的顶点捕捉，捕捉完毕后使用“挤出”命令，此例中挤出数量（即房子高度）设置为3000mm，建立室内空间完成后开始导入室内模型，当然设计过程中涉及到的细节还有很多，比如一些隐藏、选定冻结、移动、缩放、旋转和视图窗口切换、模型转化为可编辑多边形、元素分离操作等基本命令操作，详细的操作过程不一一列举。 导入模型后对模型在室内位置进行调整，然后对室内家具和墙面等附材质，材质相关参数需要分别进行调整，如下图4.3所示： 图4.3 室内模型布置完成后，进行灯光布置，也是此次利用3Dmax进行LED家庭室内设计的的重点，实例中采用了太阳光、环境光、光度学目标灯光、V-ray光源、V-ray发光材质以及室顶LED灯带等，根据场景布置相应灯光，灯光布置顺序为天光-----阳光-----人工装饰光------补光，如果环境灯光明暗不理想，可以调整天光强度或者调整“颜色映射”中的变暗倍增值,调整后具体参数设置如下: VR太阳光参数     目标灯光参数 VR VR光源参数         玻璃参数 灯带参数  当模型、墙体、玻璃和光源布置完毕后要进行初步的渲染，结合渲染结果再次调整灯光位置、材质和灯光参数等。 V-ray渲染流程： 把渲染器选项卡设置为测试阶段参数，渲染参数设置如下：设置V-ray环境下的全局照明环境，设置初始值1.5左右； V-ray图像采样器设置为“固定模式”，抗锯齿过滤器调低，设置为区域；关闭材质反射折射和默认灯，发光贴图模式“自定义”，最小采样和最大采样分别设置为-6和-5，同事二次反射调整为“准蒙特卡洛算法”并降低细分，进行初步快速渲染。 布光完成后要打开反射折射调整主要材质，结合渲染结果再次反复调整材质灯光和材质的相关参数。 下面进入正式渲染阶段，调高图样采样器抗锯齿级别，类型设置为自适应细分，开启过滤器Catmull-Rom，场景中的灯光细分调到25左右，vray渲染器中的发光贴图的半球细分调到60，场景中主要的材质细分调到16，然后调整出图的尺寸，进行正式渲染。              灯光在场景中布置完成后进行初步的渲染查看，并进行下一步的渲染设置进行调整，VR渲染设置过程中涉及到的参数截图如下： 4.3  效果图 以下为此次LED家庭照明设计--客厅毕业设计场景,图4.4是整体线框图,图4.5是还没有进行渲染的实体图。 图4.4 图4.5 图4.6和图4.7是客厅设计渲染完成后的效果图如下所示: 图4.6 图4.7 5   结束语 光影的分布是房间的灵魂，而LED照明产品便是灵魂的塑造者，LED家居照明的发展前景广阔，每个家庭都需要一个温馨的居住环境，综合考虑环境因素和个人需求来完成家居照明设计是一种艺术。本论文初步涉及了LED中的简单配光，对LED场景布光进行了模拟和分析，并作出较为真实的效果图。 本论文的主要工作有： 1.综述了LED工艺方面的相关知识，并详细介绍了LED的产品类型。 2.通过TIR透镜配光设计实例初步介绍了lighttools在LED优化设计中的重要作用。 3.利用Dilux软件设计并模拟了室内照明，通过数据的分析使LED产品在家居照明中的效果得到体现。 4.利用3DMAX软件模拟家庭客厅的布光效果，做出LED家庭照明设计的效果图。 本论文中的不足及其展望： 1.lighttools配光设计功能强大，由于个人掌握知识有限，论文中仅进行了初步的涉及。 2.Dilux设计中对室内照明效果的分析有一定局限性，仅限于此例中的场景，真实布光时还需要综合考虑场景中的材质反射系数等。 3.论文中3Dmax的客厅设计实例仅是依据个人想法进行的自由设计，现实中会遇到的问题很多，并没有针对性的提出解决方法。 LED照明设计将围绕人的情感体验进行人性化设计，根据不同年龄阶段人的不同需求，利用各种照明技术提供与之完美合一的光环境。LED家庭照明设计的智能化和多样化将会成为日后发展的趋势。由于个人目前掌握的知识水平有限，论文中难免有考虑不周及不严谨甚至错误之处，恳请批评指正，不吝赐教，作者将不胜感激。 参考文献 [1] 何方文，朱斌．建筑装饰照明设计[M]．广东科技出版社.2001,1.　 [2] 鲁超.论室内设计的灯与光的魅力--住宅空间[J].硅谷,2008,17. 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