LED照明光学系统设计

1、第七章 LED照明光学系统设计7.1 照明光学系统设计CAD软件7.2 照明光学系统的设计原理7.3 照明数据与计算7.2 照明光学系统的选择7.3 矿灯设计7.4 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统设计7.5 白光LED射灯设计第七章 LED照明光学系统设计 LED光学系统设计包括LED发光管内的光学设计和LED发光管外的光学设计，前者通常称为一次光学设计，而后者则称为二次光学设计。 LED内通常由芯片、反射杯和透明环氧树脂制成的光学透镜组成。LDE芯片、反射杯和透镜的几何形状决定了LED出光后的空间光强分布。第七章 LED照明光学系统设计 LED发光管外的二次光学设计主要是根据不同的

2、实际应用需求使LED出光后的空间光强分布发生改变，即光能量的分布发生变化，从而更有效、更合理地利用有限的光能量。 因此，LED照明光学系统设计主要指的是LED发光外的二次光学设计。照明光学系统设计CAD软件 计算机辅助设计(CAD)技术的飞速发展，使得照明光学系统的研究方法发生了巨大的变化，这主要表现在光学机构仿真软件在照明产业中的普及。 目前，国际上采用的照明光学系统的设计软件主要下面有三种:照明光学系统设计CAD软件TarcePro光学机构仿真软件、AASP高级系统分析程序、Lighttoo1s照明系统设计软件。 在我国大陆用的较多的是TarcePro ，而台湾地区则以AASP较为流行。照

3、明光学系统设计CAD软件1. TarcePro TarcePro是Lambda Research研制的一套以符合工业标准的Aels固体建模引擎为核心所发展出来的光学机构仿真软件，是一套结合了真实固体模型、强大光学分析功能、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真软件，它可将真实立体模型与光学分析紧密结合起来。 目前，国际上在照明工程、组织光学、LED设计及应用等众多领域中已经大量采用该软件进行计算机辅助设计照明光学系统设计CAD软件2. AASP ASAP是Breault Research organization研制的一套不受限制的、非序列光线追迹软件。 它具有对物理光学、成像系统和照明系统进

4、行建模分析的强大功能，它的图形工具允许用户进行截面分析，或者对几何模型、光线追迹、分析结果进行三维演示。AASP还可以分析散射、衍射、反射、折射、吸收、偏振、非序列光线追迹和高斯光束传播。照明光学系统设计CAD软件3. Lighttools Lighttools是optical Research Associates研制的一套全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，它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、机械结构以及光路。照明光学系统设计CAD软件3. Lighttoo1s 由于Lighttools把光学和机械元件集合在统一的体系下处理，

5、并配有“放置”光源、发射光线的非序列追迹强大功能，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发挥重要的作用。照明光学系统的设计原理1. 照明光学系统的成 LED照明光学系统属于非成像光学系统，必须考虑物方空间的亮度分布，光源的形状以及象方亮度分布特性。成像光学系统在像方一般是成一个平面像，照明光学系统需要照亮的往往是一个立体空间。照明光学系统的设计原理1. 照明光学系统的构成 成像光学系统的物象空间有点对称的共扼关系，故可以在视场中心和边缘选取几个抽样点，追迹光线到相应的像点，用垂轴像差、点列图或

6、光学传递函数对系统的成像质量进行评价。照明光学系统的设计原理1. 照明光学系统的构成 而照明光学系统没有物象共扼关系，照明区域中任意一点的照度都是由光源上许多点发出的光能，通过照明系统分配后叠加形成的，故而无法套用成像系统的分析和评价方法， 因此一般来说照明光学系统包括:光源、光学系统、照明平面。照明光学系统的设计原理2. LED照明光学系统光线追迹方法 对绝大多数照明光学系统来说，对照明面的要求多是光照度的要求。 因此，计算光源发出的光线通过光学系统后在照明面上产生的光照度分布是十分必要的。 照明光学系统的设计原理2. LED照明光学系统光线追迹方法 常用的计算光照度的方法是，用一个二维阵列

7、把目标面分成许多小的区域，光线从光源的不同点发射出来，通过光学系统后投射到目标面上，即光线追迹。 在目标面的每一个小区域内都能接收到一定数量的光线，通过每个光线数目的多少来确定整个照明面上的光照度分布。照明光学系统的设计原理2. LED照明光学系统光线追迹方法 照明照明光学系统的设计原理2. LED照明光学系统光线追迹方法如optical Research Associates研制的大型光学软件CODE V。 成像光学系统如照相机、望远镜等通常采用序列光线追迹来设计。照明光学系统的设计原理2. LED照明光学系统光线追迹方法 序列光线追迹的光线入射到系统中的每一个光学表面的顺序都是已知的，即光

8、线必须首先入射到系统第一个透镜的前表面，然后入射到后表面，直至最后入射到系统的像平面。照明光学系统的设计原理2. LED照明光学系统光线追迹方法 序列光线追迹相对于非序列光线追迹来说，它比较直观，每一条所追迹的光线通过系统各个表面的顺序是既定的。 因此在成像光学系统中，通常只需要计算几条光线就可以确定整个光学系统的性能。照明光学系统的设计原理2. LED照明光学系统光线追迹方法 非主要应用于非成像光学系统，如照明光学系统、投影光学系统、组织光学等。 相应的设计软件有前面所说的TracePro、Lighttools以及ASAP，这三种软件基本上代表了目前国际上非成像光学系统设计的水平。照明光学系

9、统的设计原理2. LED照明光学系统光线追迹方法 在非序列光线追迹中，光线与系统中各个界面相交的顺序是未知的。 从LED芯片发出的光在出射时的位置、方向都是未知的，因此LED照明光学系统的设计都需要追迹大量的光线来达到光学系统性能分析的准确性。照明光学系统的设计原理2. LED照明光学系统光线追迹方法 与序列光线追迹不同的是，非序列光线追迹分析需要大量的光源发出的按一定空间光强分布的随机光线，这些随机出射光线的位置、方向以及行进过程中与各界面所产生的反射、折射、散射、吸收都需要用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法来模拟。照明光学系统的设计原理3. LED照明光学系统设计原理（1）光源设计方

10、法照明光学系统的设计原理3. LED照明光学系统设计方法（2）照明光学系统的设计原理3. LED照明光学系统设计方法（3）照明光学系统的设计原理4. LED照明光学系统设计的步骤 基于LED照明光学系统设计方法，照明光学系统的设计原理3. LED照明光学系统设计的步骤照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与

11、计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明数据与计算照明光学系统的选择照明光学系统的选择照明光学系统的选择照明光学系统的选择照明光学系统的选择照明光学系统的选择照明光学系统的选择照明光学系统的选择照明光学系统的选择照明光学系统的选择照明光学系统的选择矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯

12、设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计矿灯设计应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用

13、于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统白光LED射灯设计白光LED射灯设计白光LED射灯设计白光LED射灯设计 设计中的射灯光源内部LED芯片封装如下图所示，共有49个芯片。LED尺寸300umx300um，1W光源芯片个数16个，2W光源芯片个数33个，在直径5mm固定平面上居中4x4矩阵分布。白光LED射灯设计白光LED射灯设计 其外部封装如下图所示，外部封装材料为亚克力 (PMMA)，折射率n=1.49，半径为4mm，内部为透光率92%的硅胶材料，折射率n=1.41，半径

14、为3.5mm，封装后总的透光率约为90%。白光LED射灯设计白光LED射灯设计 传统的白炽灯射灯，由于发光部位集中在很小的范围内，加上合适的反射器就可以精确的控制光源发出的光线在空间的分布。 一般的反射型射灯是采用抛物面形状的反射镜面。为了减少眩光，灯被装在一种遮挡得很好的下照灯具中。眩光的部分被挡住了，但是灯光的利用效率也降低了。白光LED射灯设计白光LED射灯设计 如果采用椭球面反射器，根据椭球面反光镜的原理，LED光源发出的光不会受到灯具挡屏的影响，从而提高了灯光的利用效率，使下照光的强度比同功率的抛物面反射型高; 椭球反射面的另一个重要特点是在易产生眩光的角度范围内灯的亮度很低，因而能

15、产生舒适的照明。白光LED射灯设计白光LED射灯设计 椭球面反射型射灯如下图所示。白光LED射灯设计白光LED射灯设计白光LED射灯设计2. 白光LED射灯特性参数 下图是白光LED光源的光通量空间分布图，白光LED光源的光通量分布在上半空间内。 白光LED射灯设计2. 白光LED射灯特性参数 下图是白光LED射灯的光通量空间分布图，白光LED射灯大约90%的光通量 分布在350的立体圆锥 角内，表明反光碗重 新分配了光通量的分布。白光LED射灯设计2. 白光LED射灯特性参数 下图是白光LED光源的光强分布，白光LED光源的光强角约为450。白光LED射灯设计2. 白光LED射灯特性参数 下图白光LED射灯的光强分布，白光LED射灯的光强角约为190。白光LED射灯设计2. 白光LED射灯特性参数 照度的均匀度与照明器的型式(光分布)有关，在一般照明方式中，直射光照明器产生最大的不均匀，间接配光和半间接配光照明器得到最好的照明均匀度。 按光通量在空间的分布来分，该设计中的LED射灯属于半直接型照明器，即光通量10-40%分布在上半球，90-60%分布在下