光学设计 第14讲 LED灯具光学.ppt

灯具光学设计基础,五邑大学应用物理与材料学院,灯具光学设计,1、室内照明灯具光学系统2、室外照明，LED路灯3、汽车照明4、交通信号灯5、手机应用灯具光学系统6、LED景观照明6、显示屏,室内照明灯具光学系统,LED日光管系列LED球泡灯系列LED射灯系列LED筒灯系列LED天花灯系列LED面板灯系列,日光灯,光扩罩透光率达到92%，一般产品只能达到85%,射灯,射灯是一种高度聚光的灯具，它的光线照射是具有可指定特定目标的,筒灯,筒灯是一种相对于普通明装的灯具更具有聚光性的灯具，一般是用于普通照明或辅助照明。,LED道路照明,2008年12月，科技部高新司提出了开展“十城万盏”LED应用试点示范城市。,1、十城万盏,经济效益：,环境效应,2、LED道路照明基础,目的：,为驾驶者和行人提供良好的视觉条件特别是为机动车驾驶者提供安全的视觉条件,道路照明现状,高压钠灯和金属卤化物灯,缺点：,灯具直接照射的方向上照度高，存在过度照明的现象,此类灯具反射器的效率仅为：50-60%，总体效率低，不超过70%,3、道路照明的质量评价,1）路面平均亮度：2）路面亮度均匀性：最小亮度/平均亮度3）眩光控制水平:4）环境照明系数:环境亮度对驾驶员的影响5）视觉引导性：,1）亮度,光源在单位面积上的发光强度,亮度均匀性：,亮度均匀性：,纵向亮度均匀性：,2）眩光控制,失能眩光,不舒适眩光,3）视觉引导性：利用灯饰、灯杆位置、颜色特性引导驾驶员认知前方道路方向,国际照明委员会（CIE）机动车交通道路照明标准,3、道路照明标准,不同等级道路照明标准,机动车交通道路照明标准值,我国道路照明标准,道路交汇区平均照度表,人行道照明标准,节能指标,隧道灯道路分段计标准,隧道灯区段照明长度及路面最低亮度,4、LED在道路照明中的优势及难点,1）光效高、能耗低2）瞬时启动3）寿命长4）显色性好5）便于光学设计6）便于调光控制7）总成比低,LED路灯与高压钠灯对比,2.4Km长的道路，宽9m，使用8m高的路灯照明，共160个路灯，150W高压钠灯和60WLED路灯照明。安装初始成本：LED：51.2万元，钠灯：9.6万元,5、LED道路照明配光,配光分布：,一次光学+二次光学,多颗LED均匀排列，再在此基础上配光,将LED分成几个模块，每个模块以一定的角度组合,单个LED上配二次光学透镜或者反光杯,现有LED路灯问题,2009年深圳市对27家企业27个型号的LED路灯进行了测试。在27盏LED路灯中，在平均照度方面，大约有93%的产品达到城市道路照明标准对次干路的要求，而所有路灯均未达到主干路的标准；另外，在照度总均匀度方面，只有22%的LED路灯达到了道路照明对主次干道的要求。从上述测试可以看出，现有的国内LED路灯只能初步满足道路照明标准对次干道的要求，离符合主干道的所要求的各项光学指标还有一段距离。,例：路灯设计,自由曲面透镜的设计：结合边缘光线原理及曲面控制网格的节点法线矢量的匹配法，使配光曲线呈蝙蝠翼分布，符合道路照明标准。一次光学透镜做配光：随着封装技术和精密注塑成型技术的进步，用来配光的二次光学和LED芯片直接封装在一起，直接在一次光学透镜上作配光是一种趋势。透镜的模块化：也是将是配光技术的一种趋势，容易组装成不同功率的LED路灯；兼顾了防水、防尘，可以直接裸露在外，从而可以省去了最外面的玻璃灯罩，避免了玻璃灯罩所附加的菲涅尔损耗。,LED路灯设计及趋势,LED汽车照明,1、背景,车外照明：远/近光灯、前雾灯、车牌灯，车外信号灯（指测/后转信号灯、刹车灯、后雾灯）,车内照明：仪表灯、阅读灯,车外照明和信号灯是强制性检验的汽车用灯,前照灯光学设计特点,前照近光灯是一种在夜间低速行驶或者在会车时使用的照明灯,使用时不但应保证司机能看清障碍物,而且不能让迎面开车司机或行人产生眩目,LS600hLED前照灯综述,光学设计,LED近光灯的光型是通过4个单元所产生的光型叠加而成（图7）。三元投射单元13具有聚光的功能，可以转动，实现动态变光功能。反射镜单元4有一个很大的散射角度，即使在光型固定的情况下，也能使近光灯照射到足够宽的路面,由于传统方法通过挡板的遮挡而实现截止线，从而造成了截止线上方的光线被浪费掉，因此，我们研制了一种LED高效投光器，把截止线上方的光线折叠到截止线下方而不浪费任何光源（图8）。,由于抛物柱面反射镜（Paraboliccylinderreflector）的光学特性，反射单元可以在一个腔体里面安装多个LED，因此，使用2颗LED以增加靠近车辆以及车辆两侧的照度,近光灯配光屏幕分布,配光屏安装时偏转一定的角度，左侧边缘倾斜15，使近光的光形有一条明显的明暗截止线,复合式抛物面聚光镜（CPC）及其在汽车前照灯中的应用,CPC的基本形状如图所示。三维的CPC反射面由二维的轮廓曲线绕对称轴旋转而成。,CPC的入口直径d1、出口直径d2及最大入射角max如图所示。其中，d2=2a；d1和d2与sinmax之间的关系为：,CPC的光线分析如图所示。从此图可以得出，只要光线的偏折角在max以内，都可以经过最多一次反射到达出射口。,若在出射口处放置一些需要加热的装置，就可以起到加热的作用。对于偏折角小于max。的光线，收集能量的效率是最高的。如果我们观察出太阳光线的偏折角并将其作为靠积，收集太阳能的效率也将是最高的。CPC不仅被广泛用来收集太阳能。,CPC在LED汽车灯具设计中的作用,现在LED已经成功地应用在汽车信号灯上。如果将光源放在CPC的出射口，根据光路的可逆原理，光源发出的光线经过反射，必然从入射口出射，并且出射光线的最大角为max。这样CPC就起聚光作用，同时几乎所有的光线最多只经过一次反射，因此这种CPC的光线利用率高于所有其他类型的聚光器。,朗伯光源（聚光前）光强最大值为452cd,朗伯光源（聚光后）光强最大值为：12200cd,CRC对LED的聚光效果,CRC聚光角为30度,朗伯光源（聚光后）光强最大值为：12200cd,CRC聚光角为30度,CRC聚光角为15度,朗伯光源（聚光后）光强最大值为：106000cd,五、LED显示屏中的光学设计,LED显示屏,LED显示屏的分类颜色显示LED显示屏的结构虚拟像素技术农业中的应用,1、LED显示屏的分类,单基色LED显示屏,双基色LED显示屏,室内双基色LED显示屏,全彩色（三基色）LED显示屏,颜色的表示:C=X(X)+Y(Y)+Z(Z),三原色：R,红色（X）：700nmG,绿色（Y）：546.1nmB,蓝色（Z）：435.8nm,2、颜色显示,全彩LED显示屏彩色形成的原理,用电流大小将单个二极管的颜色分成256个等级，总的颜色数：16777216种颜色。,真彩屏的条件,1、三种颜色的发光二极管能够混合出白色三基色亮度要求：R:G:B=1:6:3,2、三基色波长要求：正红，正绿，正蓝：,3、LED显示屏的结构,2R,1G,1B,像素：,2R,1G,1B1R，2G，1B,点间距：像素中心距离,P5-5mm,分辨率：8032,最佳视距,显示屏,LED,模块,模组,LED显示屏的构成,显示屏硬件组成,4、虚拟像素技术,利用人眼的视觉暂留现象，对实像素进行分时复用，复现更多显示信息点（虚像素点）的技术，也就是像素共享技术。,实像素显示管理,33一共9个像素点，每个像素点独立显示信息,虚拟像素技术：像素点部分复用，但不相同,四场合成：虚像素点数约为实像素点数的4倍,LED灯具仿真设计,ASAP的计算机仿真,几何体的构造,CAD和ASAP自身指令库构造,光源库定义：,CAD中定义光源形状，再附加光源特性参数,BMP格式发光体的二维发光图片输入到ASAP，转换成DIS格式文件,根据已经测得的光源的光强分布定义,光线追迹和结果分析,光线的传播路线由几何体形状、物体材料以及光线经过界面的反射、折射、散射、衍射和吸收等光学性质决定。,所谓光线追迹是指追迹通过三维物理模型的光线。光线在界面上的反射遵循反射和折射定律，光线在界面上还遵循菲涅耳定律，从而可以计算出折射和反射的光通量、光线的方向以及界面上的反射率R和透射率T。,在光线追迹过程中，通常采用蒙特卡罗方法。该方法是一种数值分析方法，随机选取光线的位置和方向作为样本，增加样本数量可以提高光线追迹结果的准确性。,蒙特卡罗方法又称统计模拟法、随机抽样技术，是一种随机模拟方法，以概率和统计理论方法为基础的一种计算方法，是使用随机数（或更常见的伪随机数）来解决很多计算问题的方法。将所求解的问题同一定的概率模型相联系，用电子计算机实现统计模拟或抽样，以获得问题的近似解。,考虑因素：,输出亮度散热光学设计LED本身的出光光形,交通信号灯,交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成分为：机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。,设计要求,1、标准：符合GB14887-2003标准。2、外观设计：外观专门为LED光源所设计，外形美观，工艺精细，便于多种组合安装。3、透光设计：透光镜片的外表面采用倾斜面设计，不易积尘。4、外壳材料：外壳采压铸铝或聚碳酸酯（PC）材料与硅橡胶密封件，具有防尘、防水、阻燃、抗老化特点，使用寿命长。,传统交通信号灯的结构,一是由于反光碗的存在，导致假显示效应：入射阳光+有色透镜+反光器反射=点亮,二、寿命短，维护费用高：由于工作条件严酷（点亮频繁，环境温度高），1500h,三、有色配光镜多有塑料构成，阳光照射下褪色。,四、是白炽灯功率通常为100150W，耗电量太,LED交通信号灯的结构,与传统信号灯比，LED交通信号灯不必再需要反射器和有色配光镜。LED用透镜作为准直光学组件，例如用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束，然后用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折，产生满足要求的光分布。再外加遮光罩，如图1所示,配光分布,光通量计算,为第i个立体角区域内的光通量；Ii为第i个立体角区域内要求的（平均）光强；H和V分别为第i个立体角区域的水平角和垂直角的边界,实际上要满足标准要求的光分布，还需考虑透镜的透过率、溢出光损失等因素。因此，需要对进行修正，这样得到的才是实际要求光通量的估量值。,单颗LED光通量计算,Ij为第j个环带区域内的平均光强，为第j个环带区域的边界。,平行光校正,光束水平方向扩散,在设计中采用透镜对平行光束进行扩散处理来满足标准的要求。将灯具外罩分割成矩形小单元多用来打碎光波的波面，有利于产生均匀的外观效果。在每个小单元中，采用柱面透镜使光束水平扩散，在确定单元宽度及要求的扩散角度之后，再确定柱面透镜的曲率半径,光束垂直方向扩散,楔形透镜,