LED照明燈具與光學系統(tǒng)設(shè)計

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1、第七章 LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計,7.1 LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計CAD軟件 7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理 7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算 7.2 LED照明光學系統(tǒng)的選擇 7.3 LED礦燈設(shè)計 7.4 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng)設(shè)計 7.5 白光LED射燈設(shè)計,第七章 LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計,LED光學系統(tǒng)設(shè)計包括LED發(fā)光管內(nèi)的光學設(shè)計和LED發(fā)光管外的光學設(shè)計，前者通常稱為一次光學設(shè)計，而后者則稱為二次光學設(shè)計。 LED內(nèi)通常由芯片、反射杯和透明環(huán)氧樹脂制成的光學透鏡組成。LDE芯片、反射杯和透鏡的幾何形狀決定了LED出光后的空間光強分布。,第七章 LED照明光學系

2、統(tǒng)設(shè)計,LED發(fā)光管外的二次光學設(shè)計主要是根據(jù)不同的實際應(yīng)用需求使LED出光后的空間光強分布發(fā)生改變，即光能量的分布發(fā)生變化，從而更有效、更合理地利用有限的光能量。 因此，LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計主要指的是LED發(fā)光外的二次光學設(shè)計。,7.1 LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計CAD軟件,計算機輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得照明光學系統(tǒng)的研究方法發(fā)生了巨大的變化，這主要表現(xiàn)在光學機構(gòu)仿真軟件在照明產(chǎn)業(yè)中的普及。 目前，國際上采用的照明光學系統(tǒng)的設(shè)計軟件主要下面有三種:,7.1 LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計CAD軟件,TarcePro光學機構(gòu)仿真軟件、 AASP高級系統(tǒng)分析程序、 Lighttoo1

3、s照明系統(tǒng)設(shè)計軟件。 在我國大陸用的較多的是TarcePro ，而臺灣地區(qū)則以AASP較為流行。,7.1 LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計CAD軟件,1. TarcePro TarcePro是Lambda Research研制的一套以符合工業(yè)標準的Aels固體建模引擎為核心所發(fā)展出來的光學機構(gòu)仿真軟件，是一套結(jié)合了真實固體模型、強大光學分析功能、信息轉(zhuǎn)換能力強及易上手的使用界面的仿真軟件，它可將真實立體模型與光學分析緊密結(jié)合起來。 目前，國際上在照明工程、組織光學、LED設(shè)計及應(yīng)用等眾多領(lǐng)域中已經(jīng)大量采用該軟件進行計算機輔助設(shè)計,7.1 LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計CAD軟件,2. AASP

4、ASAP是Breault Research organization研制的一套不受限制的、非序列光線追跡軟件。 它具有對物理光學、成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)進行建模分析的強大功能，它的圖形工具允許用戶進行截面分析，或者對幾何模型、光線追跡、分析結(jié)果進行三維演示。AASP還可以分析散射、衍射、反射、折射、吸收、偏振、非序列光線追跡和高斯光束傳播。,7.1 LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計CAD軟件,3. Lighttools Lighttools是optical Research Associates研制的一套全新的具有光學精度的交互式三維實體建模軟件體系，它提供最現(xiàn)代化的手段直接描述光學系統(tǒng)中的光源、透

5、鏡、反射鏡、分束器、衍射光學元件、棱鏡、機械結(jié)構(gòu)以及光路。,7.1 LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計CAD軟件,3. Lighttoo1s 由于Lighttools把光學和機械元件集合在統(tǒng)一的體系下處理，并配有“放置”光源、發(fā)射光線的非序列追跡強大功能，使它在系統(tǒng)初步設(shè)計、復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃、光機一體設(shè)計、雜光分析、照明系統(tǒng)設(shè)計分析、單位各部門間學術(shù)交流和數(shù)據(jù)交換、課題論證或產(chǎn)品推廣等各環(huán)節(jié)中發(fā)揮重要的作用。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,1. LED照明光學系統(tǒng)的成 LED照明光學系統(tǒng)屬于非成像光學系統(tǒng)，必須考慮物方空間的亮度分布，光源的形狀以及象方亮度分布特性。成像光學系統(tǒng)在像方一般是

6、成一個平面像，照明光學系統(tǒng)需要照亮的往往是一個立體空間。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,1. LED照明光學系統(tǒng)的構(gòu)成 成像光學系統(tǒng)的物象空間有點對稱的共扼關(guān)系，故可以在視場中心和邊緣選取幾個抽樣點，追跡光線到相應(yīng)的像點，用垂軸像差、點列圖或光學傳遞函數(shù)對系統(tǒng)的成像質(zhì)量進行評價。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,1. LED照明光學系統(tǒng)的構(gòu)成 而照明光學系統(tǒng)沒有物象共扼關(guān)系，照明區(qū)域中任意一點的照度都是由光源上許多點發(fā)出的光能，通過照明系統(tǒng)分配后疊加形成的，故而無法套用成像系統(tǒng)的分析和評價方法， 因此一般來說照明光學系統(tǒng)包括:光源、光學系統(tǒng)、照明平面。,7.2 LED

7、照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,2. LED照明光學系統(tǒng)光線追跡方法 對絕大多數(shù)照明光學系統(tǒng)來說，對照明面的要求多是光照度的要求。 因此，計算光源發(fā)出的光線通過光學系統(tǒng)后在照明面上產(chǎn)生的光照度分布是十分必要的。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,2. LED照明光學系統(tǒng)光線追跡方法 常用的計算光照度的方法是，用一個二維陣列把目標面分成許多小的區(qū)域，光線從光源的不同點發(fā)射出來，通過光學系統(tǒng)后投射到目標面上，即光線追跡。 在目標面的每一個小區(qū)域內(nèi)都能接收到一定數(shù)量的光線，通過每個光線數(shù)目的多少來確定整個照明面上的光照度分布。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,2. LE

8、D照明光學系統(tǒng)光線追跡方法 光線在LED照明光學系統(tǒng)內(nèi)的傳播遵循幾何光學的反射定律和折射定律。 根據(jù)光線在光學系統(tǒng)內(nèi)的傳播方式的不同，通常光線追跡分為兩類： 序列光線追跡 非序列光線追跡,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,2. LED照明光學系統(tǒng)光線追跡方法 （1）. 序列光線追跡 序列光線追跡主要應(yīng)用于成像光學系統(tǒng)，如optical Research Associates研制的大型光學軟件CODE V。 成像光學系統(tǒng)如照相機、望遠鏡等通常采用序列光線追跡來設(shè)計。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,2. LED照明光學系統(tǒng)光線追跡方法 （1）. 序列光線追跡

9、序列光線追跡的光線入射到系統(tǒng)中的每一個光學表面的順序都是已知的，即光線必須首先入射到系統(tǒng)第一個透鏡的前表面，然后入射到后表面，直至最后入射到系統(tǒng)的像平面。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,2. LED照明光學系統(tǒng)光線追跡方法 （1）. 序列光線追跡 序列光線追跡相對于非序列光線追跡來說，它比較直觀，每一條所追跡的光線通過系統(tǒng)各個表面的順序是既定的。 因此在成像光學系統(tǒng)中，通常只需要計算幾條光線就可以確定整個光學系統(tǒng)的性能。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,2. LED照明光學系統(tǒng)光線追跡方法 （2）. 非序列光線追跡 非序列光線追跡主要應(yīng)用于非成像光學系統(tǒng)，如照明光學系

10、統(tǒng)、投影光學系統(tǒng)、組織光學等。 相應(yīng)的設(shè)計軟件有前面所說的TracePro、Lighttools以及ASAP，這三種軟件基本上代表了目前國際上非成像光學系統(tǒng)設(shè)計的水平。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,2. LED照明光學系統(tǒng)光線追跡方法 （2）. 非序列光線追跡 在非序列光線追跡中，光線與系統(tǒng)中各個界面相交的順序是未知的。 從LED芯片發(fā)出的光在出射時的位置、方向都是未知的，因此LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計都需要追跡大量的光線來達到光學系統(tǒng)性能分析的準確性。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,2. LED照明光學系統(tǒng)光線追跡方法 （2）. 非序列光線追跡 與序列光線追跡

11、不同的是，非序列光線追跡分析需要大量的光源發(fā)出的按一定空間光強分布的隨機光線，這些隨機出射光線的位置、方向以及行進過程中與各界面所產(chǎn)生的反射、折射、散射、吸收都需要用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法來模擬。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,3. LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計原理 （1）光源設(shè)計方法 在照明光學系統(tǒng)中引入計算機模擬，光源可以用光線數(shù)量(單位立體角內(nèi))、光線長度、光線方向矢量和光線與光軸的夾角來表示。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,3. LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計方法 （2）光學系統(tǒng)設(shè)計方法 光學系統(tǒng)用來重新分配光源光通量在空間的分布，光源發(fā)出的光線通過光學系統(tǒng)后

12、在照明平面上產(chǎn)生特定分布。照明光學系統(tǒng)由于對像差要求不高，所以一般只需校正球差，一般把最后一個面設(shè)計成非球面，來減少和校正系統(tǒng)球差。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,3. LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計方法 （3）照明平面設(shè)計方法 用戶對照明平面提出一定的要求，設(shè)計者通過光源的選定和光學系統(tǒng)的設(shè)計來達到要求。這是一個反復(fù)比較、反復(fù)修改的過程，計算光源發(fā)出的光線通過光學系統(tǒng)后在目標面上產(chǎn)生的照度分布，然后與用戶要求的照度分布相對照，根據(jù)比較結(jié)果來修改光學系統(tǒng)。,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,4. LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計的步驟 基于LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計方法，結(jié)合照明設(shè)計軟件ASAP

13、，一般按下面的步驟來進行LED照明的設(shè)計: (1)確定LED光源數(shù)目，設(shè)計LED光源形狀; (2)加反射器或折射器，放置光源在合適的位置; (3)進行照明計算，包括被照面上光照度的計算，空間各點光強的計算和總的光通量的計算等;,7.2 LED照明光學系統(tǒng)的設(shè)計原理,3. LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計的步驟 (4)檢查燈具的配光中的各項參數(shù)是否滿足預(yù)定要求; (5)如未達到設(shè)計要求，針對配光曲線中尚未滿足的部分，再次進行計算，反復(fù)修改。 軟件可以幫助設(shè)計人員節(jié)省時間，使設(shè)計工作更加精確、完整，表達方式更加直觀，產(chǎn)品更加美觀，節(jié)省投資。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,LED照明光學系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)

14、之一是選擇具有合適光分布的照明器并進行合理的布置，以使得照明場所獲得符合要求的亮度分布。實際的照明裝置包含許多照明器的反射表面，光的傳遞過程是相當復(fù)雜的，所以需要進行比較復(fù)雜的計算才能確定場所的亮度分布。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,由于照度的計算和測量比較容易，現(xiàn)行照明標準也用照度值來規(guī)定工作面的照明數(shù)值，而且當被照表面的反射特性一定，特別是在大多數(shù)場合下這種反射是一種漫反射時，其亮度取決于單位面積入射光通量即照度。 所以在設(shè)計中，照明計算主要是包括兩個方面:,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,一個是照度的計算，只在一些特殊的場合下需要計算某些表面的亮度，以檢驗照明環(huán)境的照明質(zhì)量; 另外一

15、個是光通量的計算，通過分別計算LED燈具的光通量和LDE光源的光通量來合理布置LED的位置、確定LED的個數(shù)，合理的添加光學器件，從而滿足不同的照明需要。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,一. 計算照明系統(tǒng)在被照面上產(chǎn)生的照度 照度的計算方法通常有: 利用系數(shù)法、 概算曲線法、 比率法、 逐點計算法。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,一. 計算照明系統(tǒng)在被照面上產(chǎn)生的照度 逐點計算法是指逐一計算照明器對照度計算點的點照度，然后進行疊加，得到其總照度的計算方法。 所謂點照度就是入射到包含這點的面元上的光通量與該面元面積之比，點照度計算即計算照明裝置向某一計算點發(fā)射的光通量。,7.3 LE

16、D照明數(shù)據(jù)與計算,一. 計算照明系統(tǒng)在被照面上產(chǎn)生的照度 逐點計算法的特點是準確度高，可以用來計算任何指定點的照度，一般適用于局部照明、采用直射光照明器的照明、特殊傾斜面的照明和其他需要準確計算照度的場合。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,一. 計算照明系統(tǒng)在被照面上產(chǎn)生的照度 由于逐點計算法可計算任一傾斜面上的照度，且只計算光源的直射照度(不含反射光通引起的照度)，適用于帶反射罩的燈具，而一般的LED照明器都具有反射罩，因此在LED的照明設(shè)計中，通常采用的是逐點計算法。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,一. 計算照明系統(tǒng)在被照面上產(chǎn)生的照度 點照度計算能比較精確的計算被照面某點的照度

17、，一般用于驗算工作點的照度和工作面照度分布的均勻度。 一般當光源的最大尺寸不超過光源至被照平面間的最小距離的五分之一時，就可以將此光源看作點光源。 在LED照明計算中，一般將LED照明器視為點光源來計算。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,一. 計算照明系統(tǒng)在被照面上產(chǎn)生的照度 1. 點光源直射照度計算 (1) 單個點光源 點光源產(chǎn)生的點照度的基本計算公式，可由下面兩個照度定律導出。這兩個定律是光度測量和照度計算的基礎(chǔ)。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,a. 距離平方反比定律 點光源S在指向平面N(與入射光線垂直的平面)上P 點的方向上光強為I，光源 到P點的距離為l，投射到包括 P點

18、的指向平面上的面元上的 光通量為:,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,a. 距離平方反比定律 因面元dAn很小，可以把它看成是以點光源為球心的球面積的一部分，所以立體角d如可由下式確定:,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,a. 距離平方反比定律 根據(jù)照度的定義，光源在指向平面上P點產(chǎn)生的照度En為: 距離平方反比定律說明，點光源在與照射方向垂直的平面上產(chǎn)生的照度與光源至被照面的距離的平方成反比。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,b. 余弦定律 如果圖中的P點在水平面H上， 則P點的照度為: l光源至照度計算點的距離。 I光源在照度計算點方向的發(fā)光強度; cos 光源至照度計算點的連線

19、與光源至照度計算平面的垂線之間夾角的余弦:,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,c. 余弦立方定律 右圖中，對于水平面 結(jié)合 可以得到：,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,(2) 多個點光源 因為實際上一般的照明光源并不存在相干的問題，因此當有n個點光源同時照射工作面時候，n個點光源產(chǎn)生的照度等于每一光源分別產(chǎn)生的照度的總和。 總照度可用下式表示:,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,(2) 多個點光源 In光源在照度計算點方向的發(fā)光強度; n光源至照度計算點的連線與光源至照度計算平面的垂線之間夾角的余弦: ln光源至照度計算點的距離。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,（3）. 平均平面照

20、度 當照明器分布比較均勻，在被照面上各點產(chǎn)生的照度比較均勻時，平均照度能表征工作面上照明的數(shù)量和質(zhì)量。此時，照明設(shè)計可以采用比較簡單的平均照度計算法而使得計算簡化。 平均照度計算通常采用所謂“流明法”。這個方法是計算落到工作面上的總光通量除以被照面的面積。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,2. 非平面照度 （1）平均球面照度 在照明設(shè)計中，照明質(zhì)量的主要指標之一照度水平通常指平面照度。但是，當評價照明質(zhì)量時，人們發(fā)現(xiàn)在相同的照度水平下，當光線來自不同的方向時會有非常不同的照明效果，僅僅考慮平面照度是遠遠不夠的。所以用平均球面照度和平均柱面照度來表現(xiàn)被照物體的立體感。 平均球面照度

21、表示位于受測點處一個無限小的球面上的平均照度。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,2. 非平面照度 （1）平均球面照度 右圖中，在受測點處取 一半徑為r的球面，若光源S垂 直于小球直徑截面方向的光強為I，則P點的平均球面照度E 可用下式表示:,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,2. 非平面照度 （1）平均球面照度 Es: 平均球面照度，單位為lx; I:點光源的光強，單位為cd; :點光源的光通量; A:球體的截面面積; r:球體半徑; d:光源至計算點的距離。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,2. 非平面照度 （1）平均球面照度 上式說明了E與測量球的大小無關(guān)，只與

22、光源的光強I成正比，與光源到被測點的距離的平方成反比。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,2. 非平面照度 （2）平均柱面照度 平均柱面照度是指位于空間某點處的一個小圓柱體測表面上的平均照度，它表示位于空間某點處的垂直面照度。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,2. 非平面照度 （2）平均柱面照度 如右圖所示，點光源S在 圓柱體側(cè)面計算點P處的平均 柱面照度可由下面公式計算:,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,2. 非平面照度 （2）平均柱面照度 E：平均柱面照度，單位為1x； I：點光源的光強; ：點光源的光通量; A：柱體側(cè)面表面積; r：柱體半徑; H：柱體高度; l：

23、光源至計算點的距離。 ：點光源光強方向和柱體軸線的夾角;,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,2. 非平面照度 （2）平均柱面照度 平均柱面照度的大小與所取的圓柱體的表面積無關(guān)，只與光源的光強I、以及光強與垂直圓柱體的軸線直角的夾角的正弦成正比，與光源到計算點之間的距離平方成反比。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 為了確定LED光源個數(shù)和LED的位置，必須通過有效計算LED照明器總的光通量。LED照明器光通量一般的計算方法有： 光強計算法； 環(huán)帶分割法； V-H系統(tǒng)法。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 1. 光強計算法

24、 考慮將LED燈具設(shè)置于球心， 如右圖所示，對著球心的立體角 可以用緯度角與(+d)之間 所界定的環(huán)帶表示為:,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 1. 光強計算法 那么從1到2典環(huán)帶中出射的光通量為: I：該環(huán)帶內(nèi)的平均光強; C：環(huán)帶系數(shù)。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 1. 光強計算法 （1）平均光強可以從光強球帶內(nèi)的光強平均值可由光強分布曲線，如下圖來估計。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 1. 光強計算法 （2）也可以根據(jù)函數(shù)平均值定理直接計算，得到在從1到2的球帶內(nèi)的光強

25、平均值: 基于此，可以有下面兩種計算燈具光通量的方法:,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 a. 環(huán)帶系數(shù)法,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 b.羅素角法 環(huán)帶系數(shù)法中，m個環(huán)帶有相同的角寬度，但與球心相對應(yīng)的立體角是不相同的。如果選擇不同角寬度的環(huán)帶而立體角相等的話，燈具發(fā)出的總光通量就等于該立體角乘以不同環(huán)帶中的光強值的總和。這種與等立體角相對應(yīng)的環(huán)帶中心與鉛垂線的夾角，稱為羅素角。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 b.羅素角法,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計

26、算方法 2. 環(huán)帶分割法 我國照明設(shè)計遵循國家頒布的工業(yè)企業(yè)照明設(shè)計標準進行照度計算，而照度計算主要依據(jù)是燈具的配光曲線即光強分布曲線。 但以LED為光源的新的燈具在沒有配光提供的狀況下，可以通過環(huán)帶法來得到燈具的配光曲線。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 2. 環(huán)帶分割法 環(huán)帶法是在球帶法的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變、推導出來的一種簡易、方便、實用的計算方法。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 2. 環(huán)帶分割法 環(huán)帶法的具體作法是將燈具固定，讓其光線投射到被照面上，被照面被劃分為不同半徑的若干小環(huán)帶，將每個小環(huán)帶的面積乘

27、以該面積上測得的平均照度值，即為該面積上的光通量，各個小環(huán)帶面積上的光通量相加，即為該燈具所照射的總光通量。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 2. 環(huán)帶分割法 如右圖，燈具固定懸掛在距離被 照平面高度為高H的位置上，根據(jù)不 同的中心角1,2,n，將被照平 面分為對應(yīng)半徑為R1,R2,Rn的不同 環(huán)帶。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 2. 環(huán)帶分割法 各環(huán)帶面積分比為S1，S2，Sn， 對應(yīng)各環(huán)帶所測平均照度分別為Erp1， Erp2,Erpn。 各環(huán)帶的光通量分別為：,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光

28、通量的計算方法 2. 環(huán)帶分割法,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 3. V-H系統(tǒng)法 對于泛光照明器，使用 最廣泛的是V-H系統(tǒng)，如右圖。 角V是通過照明器軸的平面間 的夾角，角H在上述平面中計 算。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 3. V-H系統(tǒng)法 泛光照明應(yīng)用于某處場景或某個物體的照明，通常通過投光燈來實現(xiàn)，目的是大量增加其相對于周圍環(huán)境的照度。 投光燈是利用反射和折射方法增加在有限立體角度內(nèi)光強的一種燈具，專為泛光照明而設(shè)計的投光燈，通常可以被指向任何方向。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光

29、通量的計算方法 3. V-H系統(tǒng)法 所以對于泛光燈光分布的要求一般體現(xiàn)為V-H系統(tǒng)內(nèi)光強的分布，例如下表所示。,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 3. V-H系統(tǒng)法,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED照明器光通量的計算方法 3. V-H系統(tǒng)法 則總的光通量可以按照下式估算：,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED光通量的計算 通常采用如下的帶狀常數(shù)積 分法來計算單芯片LED的光通量: m表示在垂直光軸方向的球 帶等分數(shù)，n表示光軸方向球帶 等分數(shù)，一般情況下取m=n=72; =mid表示某一水平環(huán)帶中點所對應(yīng)的和光軸方向的夾角,7.3 L

30、ED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED光通量的計算 mid表示某可以 根據(jù)右圖所示的方法得 到：,7.3 LED照明數(shù)據(jù)與計算,二. LED光通量的計算 將這些算法經(jīng)過計算機編程后，在LED照明設(shè)計中可以更有效、方便的進行照度計算、LED照明器光通量的計算和LED光源的設(shè)計，結(jié)合照明設(shè)計軟件可以更快速方便的進行LED應(yīng)用于照明的設(shè)計。,7.4 LED照明光學系統(tǒng)的選擇,LED的光學系統(tǒng)設(shè)計指把封裝后的LED做為光源，附加光學器件來達到照明或者顯示的要求。 一般附加的光學元件可以分為發(fā)散光學器件和聚光光學器件。,7.4 LED照明光學系統(tǒng)的選擇,發(fā)散光學器件是用來擴散光束角度，常用的發(fā)散光

31、學器件有： 比如枕型透鏡、 齒形折光板、 梯形折光板、 柱形折光板等。,7.4 LED照明光學系統(tǒng)的選擇,聚光光學器件一般用來將入射光變?yōu)槠叫械某錾涔?，再?jīng)發(fā)散光學器件后達到設(shè)計要求，常用的這類光學器件： 可以是透鏡； 也可以是反射鏡。,7.4 LED照明光學系統(tǒng)的選擇,一、透鏡： 透鏡的作用是使得光源發(fā)出的光線匯聚或者發(fā)散，從而起到改變光束角度，改變照明面積和光照度的作用，在實際的適用中，通常通過改變光源到鏡頭的距離來控制光束的發(fā)散角。 透鏡一般有：平凸透鏡、平凹透鏡、菲涅爾透鏡三種。,7.4 LED照明光學系統(tǒng)的選擇,一、透鏡： 透鏡通過折射原理來對光束起會聚或者發(fā)散作用，從而

32、改變光通量的空間分布即光強的分布。透鏡的焦距計算公式如下式所示: 其中n表示透鏡的折射率，f為透鏡的焦距，R1，R2分別表示透鏡兩個面的曲率半徑；T表示透鏡的厚度。,7.4 LED照明光學系統(tǒng)的選擇,一、透鏡： （1）對于薄透鏡 則焦距計算公式為:,7.4 LED照明光學系統(tǒng)的選擇,一、透鏡： （2）對于平凸透鏡 R1=0，則焦距計算公式為:,7.4 LED照明光學系統(tǒng)的選擇,一、透鏡： （2）對于平凸透鏡 在n己知情況下，根據(jù)光源入射光束的半角寬度和照明要求，在折射原理nsin(1)= sin(2) 的基礎(chǔ)上，通過改變R2來改變f，從而設(shè)計相應(yīng)的透鏡，其中1為透鏡入射角，

33、 2透鏡出射角，n為透鏡的折射率。,7.4 LED照明光學系統(tǒng)的選擇,二、反射鏡 反射鏡一般有球面反射鏡和非球面反射鏡。非球面反射鏡通常為旋轉(zhuǎn)二次曲面，如:拋物面、橢球面和雙曲面，其光路如下圖。,7.4 LED照明光學系統(tǒng)的選擇,二、反射鏡 不同的反射鏡有不同的特性: 拋物面反射鏡把焦點F處發(fā)出的光線變?yōu)槠叫泄? 橢球反射面把左焦點F1處發(fā)出的光線會聚于右焦點F2處; 雙曲面反射鏡把左焦點處的光源成像到右焦點，相當于光線由右焦點發(fā)出，起到改變光源發(fā)散角的作用。,7.4 LED照明光學系統(tǒng)的選擇,二、反射鏡 非球面反射鏡與透鏡在原理上大不相同，透鏡用折射原理，反射鏡用反射或全反射原理，

34、盡管表面上能改變光源的光束角，但是所包含的孔徑角差別很大。 由于材料的折射率有限，透鏡的孔徑角比較小，通常在40o以下，而非球面反射鏡的孔徑角卻可以達到130o以上?？讖浇堑拇笮”硎臼占饩€的能力，也就是說非球面反射鏡的集光能力較強，透鏡則比較弱。,7.5 LED礦燈設(shè)計,現(xiàn)在礦工使用的傳統(tǒng)的礦燈一般是酸堿燈，酸堿礦燈溫度高，易產(chǎn)生電火花，而LED礦燈用的冷光源，從根北上杜絕安全隱患。 其次是輕便，此前普遍身用的酸堿礦燈包括鍍燈盒總重量為0.7公斤，并有一根電纜連接，不方便，而LED燈總重量很小，且電池、電纜均在帽子里，減輕了礦工的頭部負重。酸堿燈硫酸易溢出燒壞皮膚，鏗電池則不存在這個

35、問題，此外，這種燈還節(jié)電，符合環(huán)保要求。,7.5 LED礦燈設(shè)計,1. LED礦燈設(shè)計基礎(chǔ) 單只LED的光能量小，亮度低，為了達到戶外照明的要求，一個簡單的方法是由多個發(fā)光二極管組合在一起形成點光源、面光源或者體光源。 一般LDE主要包括幾個部分，LED發(fā)光芯片，反光杯，連接正負極的引線框和環(huán)氧封裝。,7.5 LED礦燈設(shè)計,1. LED礦燈設(shè)計基礎(chǔ) 所以單個LED的發(fā)光狀態(tài)即光束角度取決于三方面: LED芯片的大小和位置; 反光杯的形狀; 環(huán)氧封裝的形狀。 根據(jù)單個LED的設(shè)計思想，一般多芯片LED照明工具由三部分組成:LED組合光源、透鏡、反射鏡。,7.5 LED礦燈設(shè)計,

36、1. LED礦燈設(shè)計基礎(chǔ) 影響系統(tǒng)發(fā)光效果的主要因素有:芯片的個數(shù)以及放置的位置、透鏡和反射鏡的形狀、特性和位置。 與單個LED不同的是本系統(tǒng) 的芯片并非放置在反光碗內(nèi)，而 是把四個LED芯片放置在環(huán)氧樹 脂平凸透鏡內(nèi)，如右圖所示。,7.5 LED礦燈設(shè)計,1. LED礦燈設(shè)計基礎(chǔ) 上圖中2表示的是其中兩個芯片的位置，另外兩個芯片放置在立方體另外兩個對應(yīng)面上，整個發(fā)光體放置在拋物面反射鏡內(nèi)，如下圖所示。,7.5 LED礦燈設(shè)計,1. LED礦燈設(shè)計基礎(chǔ) 環(huán)氧樹脂起到保護四個芯片和集光棱鏡的作用，決定了光源的形狀。 LED芯片距離環(huán)氧樹脂透鏡的前端越近，出射光束的角度越大。可

37、以通過改變樹脂棱鏡的焦距，棱鏡的位置來得到不同的發(fā)光曲線，滿足不同的照明要求。,7.5 LED礦燈設(shè)計,1. LED礦燈設(shè)計基礎(chǔ) 設(shè)計中采用拋物面反射鏡，f表示拋物面的焦距，r表示拋物面的焦點到反射面的矢徑，為對應(yīng)的半孔徑角。,7.5 LED礦燈設(shè)計,1. LED礦燈設(shè)計基礎(chǔ) 根據(jù)不同的集光需要，可通過改變焦距f和相應(yīng)的半孔徑角來設(shè)置反射鏡。 其學表達式如下式所示:,7.5 LED礦燈設(shè)計,2. 出射光束角為220的設(shè)計 設(shè)計中反射杯直徑為35mm，杯深為18mm。在ASAP中分別對加反射杯前和加反射杯后兩種情況進行蒙特卡羅追跡，如下圖所示。,7.5 LED礦燈設(shè)計,2. 出射

38、光束角為220的設(shè)計 下圖為在ASAP中模擬得到的光通量分布曲線，表示90%的光通量分布在以光軸為中心，頂角為220的圓錐體內(nèi)。,7.5 LED礦燈設(shè)計,2. 出射光束角為220的設(shè)計 根據(jù)追跡結(jié)果模擬出被照面上的相對光強分布曲線，如下圖所示，虛線表示對該照明器件實際測得的相對光強分布曲線，兩條曲線基本吻合。 由模擬曲線可以得出本設(shè)計的 半強度角約為220，實際測得的 約200。,7.5 LED礦燈設(shè)計,2. 出射光束角為220的設(shè)計 對于一般的照明器件，其光度數(shù)據(jù)通常需以照度分布的形式在離開照明器較遠的指定平面上體現(xiàn)出來。 根據(jù)實際測得的光強，利用逐點計算法計算得到被照面上的

39、相對光照度分布曲線如下圖中虛線所示，在ASAP中模擬得到的相同條件下被照面上的相對光照度分布曲線如下圖實線所示。,7.5 LED礦燈設(shè)計,2. 出射光束角為220的設(shè)計 虛線逐點計算法計算得到被照面上的相對光照度分布曲線 實線在ASAP中模擬得到的相同條件下被照面上的相對光照 度分布曲線,7.5 LED礦燈設(shè)計,3. 出射光為平行光的設(shè)計 為了使光線以近似于平行光的形式出射到被照射面上，修改反光碗焦距、球面凸透鏡焦距、圓柱形透鏡、光源位置等參數(shù)。 修改后的反射杯直徑為50mm，杯深mm。在ASAP中對加反射杯前后兩種情況重新進行光線追跡，追跡結(jié)果如下圖所示。,7.5 LED礦

40、燈設(shè)計,3. 出射光為平行光的設(shè)計,7.5 LED礦燈設(shè)計,3. 出射光為平行光的設(shè)計 修改后的系統(tǒng)相對光強分布曲線如下圖所示，半強度角約為30，表示光線基本以平行光出射。,7.5 LED礦燈設(shè)計,3. 出射光為平行光的設(shè)計 相對光照度分布曲線如下圖所示，修改后的系統(tǒng)照度分布相對更加均勻和集中，中心照度相對集中，周圍照度逐漸減小。,7.5 LED礦燈設(shè)計,3. 出射光為平行光的設(shè)計 由以上分析結(jié)果可以看出，在一般照明設(shè)計的理論基礎(chǔ)上，通過定義光強分布和發(fā)光體幾何形狀在ASAP中模擬光源，通過大量光線的蒙特卡羅追跡結(jié)果可以得到光強、光通量和光照度等相關(guān)的分布曲線。,7.5 LE

41、D礦燈設(shè)計,3. 出射光為平行光的設(shè)計 通過改變設(shè)計的參數(shù)，例如凸透鏡的焦距、反光碗的焦距和位置、光源放置的位置等來達到設(shè)計要求，即在制作原型系統(tǒng)或者大批量生產(chǎn)前做光學系統(tǒng)的仿真，使設(shè)計人員可以更直觀快速的看到設(shè)計結(jié)果，從而縮短了產(chǎn)品市場化的時間，同時減少了材料的浪費。,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),由于LED直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光，無熱輻射，效率高，光譜幾乎全部集中于可見光波段，無紫外輻射，而且其壽命長、安全環(huán)保，因此屬于典型的綠色光源。 LED應(yīng)用于博物館文物展示照明時，還要考慮到光源發(fā)出的紫外輻射或者紅外熱輻射可能會對文物造成不同程度的損害。,7.6 應(yīng)用于博

42、物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),白光LED光譜分布在可見光范圍380780nm波段內(nèi)的相對光強比較大，在紫外和紅外波段相對光強很小，基本處于截止區(qū)域。 由此可知白光LED照明輻射危害較小，更適用于博物館文物展示照明。 基于此，這里設(shè)計一種白色LED環(huán)形光源的照明系統(tǒng)。,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),1. 基本的設(shè)計思想 (1) 光通量守恒 為了更清楚的表達設(shè)計的基本思路，假設(shè)光源為擴展光源，博物館所展示文物形狀為圓柱體，被照面為圓柱體的側(cè)面，光線經(jīng)由反射鏡到被照面上。,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),1. 基本的設(shè)計思想 (1) 光通

43、量守恒 假定圓柱體底面所在平面為 xy平面，右圖為整個系統(tǒng)在xz 平面的投影圖，其中圓柱體高 H，底面半徑為rC，光源的內(nèi)徑 為rin，外徑為rout。,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),1. 基本的設(shè)計思想 (1) 光通量守恒,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),1. 基本的設(shè)計思想 (2) 反射定律,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),1. 基本的設(shè)計思想 (2) 反射定律 當應(yīng)用于博物館照明時候，反光鏡上被鍍上半透半反膜，如果遵循光通量守恒，光源發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡后一半的光線被反射到圓柱體側(cè)面，圓柱體側(cè)面上接收到的光通量應(yīng)該等于

44、光源發(fā)出的總的光通量的一半，因此，式(5一10)中的:,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),2. 系統(tǒng)的計算機模擬 在光學軟件ASAP中對整個系統(tǒng)進行模擬分析。光源采用白光LED環(huán)形光源，共有12個白光LED環(huán)狀排列，每個LED的半強度角為30，屬于高指向性白光LED，型號為T-1(3/4)，封裝形式為環(huán)氧封裝。 經(jīng)平凸透鏡會聚為平行光束，下圖所示為光源在xy平面上的投影分布圖。,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),2. 系統(tǒng)的計算機模擬,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),2. 系統(tǒng)的計算機模擬 假定圓柱體底面中心為坐標軸原點，為了方便計

45、算，取環(huán)形體外半徑rout=1.5cm，內(nèi)半徑rin=0.5cm，圓柱體半徑rc=0.3cm，高度為H=0.66cm， 則計算得到: A=0.165， B=0.25， C=0.3。,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),2. 系統(tǒng)的計算機模擬 通過計算機編程可以從方程 得到一系列的對應(yīng)于不同的x的z和Z值，在光學軟件ASAP中模擬出旋轉(zhuǎn)對稱的反射鏡面和圓柱體，并進行光線追跡，追跡圖形在xz平面的分布如下圖所示。,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),2. 系統(tǒng)的計算機模擬 在ASAP中進行蒙特卡羅光線追跡時，設(shè)定光源發(fā)

46、出28004條光線，并使得其光通量歸一化為1，追跡數(shù)據(jù)顯示約14096條光線經(jīng)過反射鏡到達圓柱體側(cè)面，光通量約為0.5，表明光源發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡后一半的光線幾乎全部被反射到圓柱體側(cè)面上，即光通量守恒:光源被反射的光通量和被照射面所接收到的光通量相等。,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),2. 系統(tǒng)的計算機模擬 將光源放置 在距離圓柱體底 端足夠遠處，選 取11條光線進行 追跡。,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),2. 系統(tǒng)的計算機模擬 從下表的追跡 結(jié)果可以看出11條光 線經(jīng)過反射鏡后遵循 反射定律，均勻的分 布在圓柱體側(cè)面。,7.6 應(yīng)用于博物館文物展

47、示的白光LED照明系統(tǒng),2. 系統(tǒng)的計算機模擬 下圖為圓柱體側(cè)面上光照度的分布,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),2. 系統(tǒng)的計算機模擬 下圖為圓柱體側(cè)面上光通量的分布，可以看到90%的光通量均勻的分布在圓柱體側(cè)面上。,7.6 應(yīng)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng),2. 系統(tǒng)的計算機模擬 對于博物館中展示的不同的文物，根據(jù)形狀的不同由 計算得到相應(yīng)的A，B，C值，可以在ASAP軟件中模擬出相應(yīng)的反射鏡曲面; 另外通過調(diào)整LED的個數(shù)、位置和發(fā)散角，同樣可以改變整個系統(tǒng)的光線分布，從而在被照射物體上得到不同的照度分布，滿足不同的照明要求。,7.7 白光LED

48、射燈設(shè)計,射燈在燈飾分類中屬于定向投射燈。是一種局部照明燈具，亮度非常高，顯色性優(yōu)，控制配光非常容易，點光、光澤、陰影和材質(zhì)感的表現(xiàn)力非常強。 特定視覺工作用的、為照亮某個局部而設(shè)置的照明稱為局部照明。 局部照明只能照射有限面積，對于局部地點需要高照度并對照射方向有要求時，可裝設(shè)局部照明。,7.7 白光LED射燈設(shè)計,對于因一般照明受到遮擋或需要克服工作區(qū)及其附近的光幕反射時，也宜采用局部照明，具體在下列情況下宜采用LED射燈: (1)局部需要有較高的照度 (2)由于遮擋而使一般照明照射不到的某些范圍 (3)視覺功能降低的人需要有較高的亮度 (4)需要減少工作區(qū)的反射眩光 (5)需加強

49、某一方向的光照，以增強質(zhì)感,7.7 白光LED射燈設(shè)計,1. 白光LED射燈設(shè)計 設(shè)計中的射燈光源內(nèi)部LED芯片封裝如下圖所示，共有49個芯片。LED尺寸300umx300um，1W光源芯片個數(shù)16個，2W光源芯片個數(shù)33個，在直徑5mm固定平面上居中4x4矩陣分布。,7.7 白光LED射燈設(shè)計,1. 白光LED射燈設(shè)計 其外部封裝如下圖所示，外部封裝材料為亞克力 (PMMA)，折射率n=1.49，半徑為4mm，內(nèi)部為透光率92%的硅膠材料，折射率n=1.41，半徑為3.5mm，封裝后總的透光率約為90%。,7.7 白光LED射燈設(shè)計,1. 白光LED射燈設(shè)計 傳統(tǒng)的白熾燈射燈，由

50、于發(fā)光部位集中在很小的范圍內(nèi)，加上合適的反射器就可以精確的控制光源發(fā)出的光線在空間的分布。 一般的反射型射燈是采用拋物面形狀的反射鏡面。為了減少眩光，燈被裝在一種遮擋得很好的下照燈具中。眩光的部分被擋住了，但是燈光的利用效率也降低了。,7.7 白光LED射燈設(shè)計,1. 白光LED射燈設(shè)計 如果采用橢球面反射器，根據(jù)橢球面反光鏡的原理，LED光源發(fā)出的光不會受到燈具擋屏的影響，從而提高了燈光的利用效率，使下照光的強度比同功率的拋物面反射型高; 橢球反射面的另一個重要特點是在易產(chǎn)生眩光的角度范圍內(nèi)燈的亮度很低，因而能產(chǎn)生舒適的照明。,7.7 白光LED射燈設(shè)計,1. 白光LED射燈設(shè)計

51、 橢球面反射型射燈如下圖所示。,7.7 白光LED射燈設(shè)計,1. 白光LED射燈設(shè)計,7.7 白光LED射燈設(shè)計,2. 白光LED射燈特性參數(shù) 下圖是白光LED光源的光通量空間分布圖，白光LED光源的光通量分布在上半空間內(nèi)。,7.7 白光LED射燈設(shè)計,2. 白光LED射燈特性參數(shù) 下圖是白光LED射燈的光通量空間分布圖，白光LED射燈大約90%的光通量 分布在350的立體圓錐 角內(nèi)，表明反光碗重 新分配了光通量的分布。,7.7 白光LED射燈設(shè)計,2. 白光LED射燈特性參數(shù) 下圖是白光LED光源的光強分布，白光LED光源的光強角約為450。,7.7 白光LED射燈設(shè)計,2.

52、 白光LED射燈特性參數(shù) 下圖白光LED射燈的光強分布，白光LED射燈的光強角約為190。,7.7 白光LED射燈設(shè)計,2. 白光LED射燈特性參數(shù) 照度的均勻度與照明器的型式(光分布)有關(guān)，在一般照明方式中，直射光照明器產(chǎn)生最大的不均勻，間接配光和半間接配光照明器得到最好的照明均勻度。 按光通量在空間的分布來分，該設(shè)計中的LED射燈屬于半直接型照明器，即光通量10-40%分布在上半球，90-60%分布在下半球，光線集中在工作面上，空間環(huán)境有適當照度比，直接型眩光小，同時可以在被照面上得到很好的照明均勻度。,7.7 白光LED射燈設(shè)計,2. 白光LED射燈特性參數(shù),7.7 白光LED射燈設(shè)計,2. 白光LED射燈特性參數(shù) 從上圖可以得出工作面上最小照度與最大照度之比約為0.34，即最低均勻度為0.34。按照照明標準規(guī)定符合工作面允許的照明最低均勻度可達0.50.3，所以此白光LED射燈滿足被照面上的要求;平均均勻度是最小照度與平均照度之比，同樣從上圖得到平均均勻度約為0.41，同樣符合照明最低平均均勻度的要求。,