LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì).ppt

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第七章LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 1LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)CAD軟件7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的選擇7 3LED礦燈設(shè)計(jì)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(jì)7 5白光LED射燈設(shè)計(jì) 第七章LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) LED光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括LED發(fā)光管內(nèi)的光學(xué)設(shè)計(jì)和LED發(fā)光管外的光學(xué)設(shè)計(jì) 前者通常稱為一次光學(xué)設(shè)計(jì) 而后者則稱為二次光學(xué)設(shè)計(jì) LED內(nèi)通常由芯片 反射杯和透明環(huán)氧樹脂制成的光學(xué)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(qiáng)分布 第七章LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) LED發(fā)光管外的二次光學(xué)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用需求使LED出光后的空間光強(qiáng)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要指的是LED發(fā)光外的二次光學(xué)設(shè)計(jì) 7 1LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)CAD軟件 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD 技術(shù)的飛速發(fā)展 使得照明光學(xué)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(xué)機(jī)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(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件主要下面有三種 7 1LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)CAD軟件 TarcePro光學(xué)機(jī)構(gòu)仿真軟件 AASP高級(jí)系統(tǒng)分析程序 Lighttoo1s照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件 在我國大陸用的較多的是TarcePro 而臺(tái)灣地區(qū)則以AASP較為流行 7 1LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)CAD軟件 1 TarceProTarcePro是LambdaResearch研制的一套以符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的Aels固體建模引擎為核心所發(fā)展出來的光學(xué)機(jī)構(gòu)仿真軟件 是一套結(jié)合了真實(shí)固體模型 強(qiáng)大光學(xué)分析功能 信息轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)及易上手的使用界面的仿真軟件 它可將真實(shí)立體模型與光學(xué)分析緊密結(jié)合起來 目前 國際上在照明工程 組織光學(xué) LED設(shè)計(jì)及應(yīng)用等眾多領(lǐng)域中已經(jīng)大量采用該軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 7 1LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)CAD軟件 2 AASPASAP是BreaultResearchorganization研制的一套不受限制的 非序列光線追跡軟件 它具有對(duì)物理光學(xué) 成像系統(tǒng)和照明系統(tǒng)進(jìn)行建模分析的強(qiáng)大功能 它的圖形工具允許用戶進(jìn)行截面分析 或者對(duì)幾何模型 光線追跡 分析結(jié)果進(jìn)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 1LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)CAD軟件 3 LighttoolsLighttools是opticalResearchAssociates研制的一套全新的具有光學(xué)精度的交互式三維實(shí)體建模軟件體系 它提供最現(xiàn)代化的手段直接描述光學(xué)系統(tǒng)中的光源 透鏡 反射鏡 分束器 衍射光學(xué)元件 棱鏡 機(jī)械結(jié)構(gòu)以及光路 7 1LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)CAD軟件 3 Lighttoo1s由于Lighttools把光學(xué)和機(jī)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(qiáng)大功能 使它在系統(tǒng)初步設(shè)計(jì) 復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃 光機(jī)一體設(shè)計(jì) 雜光分析 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 單位各部門間學(xué)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 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 1 LED照明光學(xué)系統(tǒng)的成LED照明光學(xué)系統(tǒng)屬于非成像光學(xué)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(xué)系統(tǒng)在像方一般是成一個(gè)平面像 照明光學(xué)系統(tǒng)需要照亮的往往是一個(gè)立體空間 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 1 LED照明光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成成像光學(xué)系統(tǒng)的物象空間有點(diǎn)對(duì)稱的共扼關(guān)系 故可以在視場(chǎng)中心和邊緣選取幾個(gè)抽樣點(diǎn) 追跡光線到相應(yīng)的像點(diǎn) 用垂軸像差 點(diǎn)列圖或光學(xué)傳遞函數(shù)對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià) 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 1 LED照明光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成而照明光學(xué)系統(tǒng)沒有物象共扼關(guān)系 照明區(qū)域中任意一點(diǎn)的照度都是由光源上許多點(diǎn)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(píng)價(jià)方法 因此一般來說照明光學(xué)系統(tǒng)包括 光源 光學(xué)系統(tǒng) 照明平面 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 2 LED照明光學(xué)系統(tǒng)光線追跡方法對(duì)絕大多數(shù)照明光學(xué)系統(tǒng)來說 對(duì)照明面的要求多是光照度的要求 因此 計(jì)算光源發(fā)出的光線通過光學(xué)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 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 2 LED照明光學(xué)系統(tǒng)光線追跡方法常用的計(jì)算光照度的方法是 用一個(gè)二維陣列把目標(biāo)面分成許多小的區(qū)域 光線從光源的不同點(diǎn)發(fā)射出來 通過光學(xué)系統(tǒng)后投射到目標(biāo)面上 即光線追跡 在目標(biāo)面的每一個(gè)小區(qū)域內(nèi)都能接收到一定數(shù)量的光線 通過每個(gè)光線數(shù)目的多少來確定整個(gè)照明面上的光照度分布 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 2 LED照明光學(xué)系統(tǒng)光線追跡方法光線在LED照明光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的傳播遵循幾何光學(xué)的反射定律和折射定律 根據(jù)光線在光學(xué)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 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 2 LED照明光學(xué)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(xué)系統(tǒng) 如opticalResearchAssociates研制的大型光學(xué)軟件CODEV 成像光學(xué)系統(tǒng)如照相機(jī) 望遠(yuǎn)鏡等通常采用序列光線追跡來設(shè)計(jì) 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 2 LED照明光學(xué)系統(tǒng)光線追跡方法 1 序列光線追跡序列光線追跡的光線入射到系統(tǒng)中的每一個(gè)光學(xué)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(gè)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 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 2 LED照明光學(xué)系統(tǒng)光線追跡方法 1 序列光線追跡序列光線追跡相對(duì)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(gè)表面的順序是既定的 因此在成像光學(xué)系統(tǒng)中 通常只需要計(jì)算幾條光線就可以確定整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 2 LED照明光學(xué)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(xué)系統(tǒng) 如照明光學(xué)系統(tǒng) 投影光學(xué)系統(tǒng) 組織光學(xué)等 相應(yīng)的設(shè)計(jì)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的水平 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 2 LED照明光學(xué)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(gè)界面相交的順序是未知的 從LED芯片發(fā)出的光在出射時(shí)的位置 方向都是未知的 因此LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都需要追跡大量的光線來達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)性能分析的準(zhǔn)確性 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 2 LED照明光學(xué)系統(tǒng)光線追跡方法 2 非序列光線追跡與序列光線追跡不同的是 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(qiáng)分布的隨機(jī)光線 這些隨機(jī)出射光線的位置 方向以及行進(jìn)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 MonteCarlo 方法來模擬 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 3 LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 1 光源設(shè)計(jì)方法在照明光學(xué)系統(tǒng)中引入計(jì)算機(jī)模擬 光源可以用光線數(shù)量 單位立體角內(nèi) 光線長(zhǎng)度 光線方向矢量和光線與光軸的夾角來表示 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 3 LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法光學(xué)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(xué)系統(tǒng)后在照明平面上產(chǎn)生特定分布 照明光學(xué)系統(tǒng)由于對(duì)像差要求不高 所以一般只需校正球差 一般把最后一個(gè)面設(shè)計(jì)成非球面 來減少和校正系統(tǒng)球差 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 3 LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 3 照明平面設(shè)計(jì)方法用戶對(duì)照明平面提出一定的要求 設(shè)計(jì)者通過光源的選定和光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來達(dá)到要求 這是一個(gè)反復(fù)比較 反復(fù)修改的過程 計(jì)算光源發(fā)出的光線通過光學(xué)系統(tǒng)后在目標(biāo)面上產(chǎn)生的照度分布 然后與用戶要求的照度分布相對(duì)照 根據(jù)比較結(jié)果來修改光學(xué)系統(tǒng) 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 4 LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟基于LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 結(jié)合照明設(shè)計(jì)軟件ASAP 一般按下面的步驟來進(jìn)行LED照明的設(shè)計(jì) 1 確定LED光源數(shù)目 設(shè)計(jì)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(jìn)行照明計(jì)算 包括被照面上光照度的計(jì)算 空間各點(diǎn)光強(qiáng)的計(jì)算和總的光通量的計(jì)算等 7 2LED照明光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 3 LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的步驟 4 檢查燈具的配光中的各項(xiàng)參數(shù)是否滿足預(yù)定要求 5 如未達(dá)到設(shè)計(jì)要求 針對(duì)配光曲線中尚未滿足的部分 再次進(jìn)行計(jì)算 反復(fù)修改 軟件可以幫助設(shè)計(jì)人員節(jié)省時(shí)間 使設(shè)計(jì)工作更加精確 完整 表達(dá)方式更加直觀 產(chǎn)品更加美觀 節(jié)省投資 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一是選擇具有合適光分布的照明器并進(jìn)行合理的布置 以使得照明場(chǎng)所獲得符合要求的亮度分布 實(shí)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(dāng)復(fù)雜的 所以需要進(jìn)行比較復(fù)雜的計(jì)算才能確定場(chǎng)所的亮度分布 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 由于照度的計(jì)算和測(cè)量比較容易 現(xiàn)行照明標(biāo)準(zhǔn)也用照度值來規(guī)定工作面的照明數(shù)值 而且當(dāng)被照表面的反射特性一定 特別是在大多數(shù)場(chǎng)合下這種反射是一種漫反射時(shí) 其亮度取決于單位面積入射光通量即照度 所以在設(shè)計(jì)中 照明計(jì)算主要是包括兩個(gè)方面 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 一個(gè)是照度的計(jì)算 只在一些特殊的場(chǎng)合下需要計(jì)算某些表面的亮度 以檢驗(yàn)照明環(huán)境的照明質(zhì)量 另外一個(gè)是光通量的計(jì)算 通過分別計(jì)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(gè)數(shù) 合理的添加光學(xué)器件 從而滿足不同的照明需要 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 一 計(jì)算照明系統(tǒng)在被照面上產(chǎn)生的照度照度的計(jì)算方法通常有 利用系數(shù)法 概算曲線法 比率法 逐點(diǎn)計(jì)算法 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 一 計(jì)算照明系統(tǒng)在被照面上產(chǎn)生的照度逐點(diǎn)計(jì)算法是指逐一計(jì)算照明器對(duì)照度計(jì)算點(diǎn)的點(diǎn)照度 然后進(jìn)行疊加 得到其總照度的計(jì)算方法 所謂點(diǎn)照度就是入射到包含這點(diǎn)的面元上的光通量與該面元面積之比 點(diǎn)照度計(jì)算即計(jì)算照明裝置向某一計(jì)算點(diǎn)發(fā)射的光通量 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 一 計(jì)算照明系統(tǒng)在被照面上產(chǎn)生的照度逐點(diǎn)計(jì)算法的特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高 可以用來計(jì)算任何指定點(diǎn)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(zhǔn)確計(jì)算照度的場(chǎng)合 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 一 計(jì)算照明系統(tǒng)在被照面上產(chǎn)生的照度由于逐點(diǎn)計(jì)算法可計(jì)算任一傾斜面上的照度 且只計(jì)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(jì)中 通常采用的是逐點(diǎn)計(jì)算法 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 一 計(jì)算照明系統(tǒng)在被照面上產(chǎn)生的照度點(diǎn)照度計(jì)算能比較精確的計(jì)算被照面某點(diǎn)的照度 一般用于驗(yàn)算工作點(diǎn)的照度和工作面照度分布的均勻度 一般當(dāng)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(shí) 就可以將此光源看作點(diǎn)光源 在LED照明計(jì)算中 一般將LED照明器視為點(diǎn)光源來計(jì)算 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 一 計(jì)算照明系統(tǒng)在被照面上產(chǎn)生的照度1 點(diǎn)光源直射照度計(jì)算 1 單個(gè)點(diǎn)光源點(diǎn)光源產(chǎn)生的點(diǎn)照度的基本計(jì)算公式 可由下面兩個(gè)照度定律導(dǎo)出 這兩個(gè)定律是光度測(cè)量和照度計(jì)算的基礎(chǔ) 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 a 距離平方反比定律點(diǎn)光源S在指向平面N 與入射光線垂直的平面 上P點(diǎn)的方向上光強(qiáng)為I 光源到P點(diǎn)的距離為l 投射到包括P點(diǎn)的指向平面上的面元上的光通量為 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)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(diǎn)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 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)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(diǎn)產(chǎn)生的照度En為 距離平方反比定律說明 點(diǎn)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 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 b 余弦定律如果圖中的P點(diǎn)在水平面H上 則P點(diǎn)的照度為 l 光源至照度計(jì)算點(diǎn)的距離 I 光源在照度計(jì)算點(diǎn)方向的發(fā)光強(qiáng)度 cos 光源至照度計(jì)算點(diǎn)的連線與光源至照度計(jì)算平面的垂線之間夾角的余弦 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 c 余弦立方定律右圖中 對(duì)于水平面結(jié)合可以得到 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 2 多個(gè)點(diǎn)光源因?yàn)閷?shí)際上一般的照明光源并不存在相干的問題 因此當(dāng)有n個(gè)點(diǎn)光源同時(shí)照射工作面時(shí)候 n個(gè)點(diǎn)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 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 2 多個(gè)點(diǎn)光源I n 光源在照度計(jì)算點(diǎn)方向的發(fā)光強(qiáng)度 n 光源至照度計(jì)算點(diǎn)的連線與光源至照度計(jì)算平面的垂線之間夾角的余弦 ln 光源至照度計(jì)算點(diǎn)的距離 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 3 平均平面照度當(dāng)照明器分布比較均勻 在被照面上各點(diǎn)產(chǎn)生的照度比較均勻時(shí) 平均照度能表征工作面上照明的數(shù)量和質(zhì)量 此時(shí) 照明設(shè)計(jì)可以采用比較簡(jiǎn)單的平均照度計(jì)算法而使得計(jì)算簡(jiǎn)化 平均照度計(jì)算通常采用所謂 流明法 這個(gè)方法是計(jì)算落到工作面上的總光通量除以被照面的面積 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 2 非平面照度 1 平均球面照度在照明設(shè)計(jì)中 照明質(zhì)量的主要指標(biāo)之一照度水平通常指平面照度 但是 當(dāng)評(píng)價(jià)照明質(zhì)量時(shí) 人們發(fā)現(xiàn)在相同的照度水平下 當(dāng)光線來自不同的方向時(shí)會(huì)有非常不同的照明效果 僅僅考慮平面照度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)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 平均球面照度表示位于受測(cè)點(diǎn)處一個(gè)無限小的球面上的平均照度 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 2 非平面照度 1 平均球面照度右圖中 在受測(cè)點(diǎn)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(qiáng)為I 則P點(diǎn)的平均球面照度E可用下式表示 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)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(diǎn)光源的光強(qiáng) 單位為cd 點(diǎn)光源的光通量 A 球體的截面面積 r 球體半徑 d 光源至計(jì)算點(diǎn)的距離 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 2 非平面照度 1 平均球面照度上式說明了E與測(cè)量球的大小無關(guān) 只與光源的光強(qiáng)I成正比 與光源到被測(cè)點(diǎn)的距離的平方成反比 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)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(diǎn)處的一個(gè)小圓柱體測(cè)表面上的平均照度 它表示位于空間某點(diǎn)處的垂直面照度 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 2 非平面照度 2 平均柱面照度如右圖所示 點(diǎn)光源S在圓柱體側(cè)面計(jì)算點(diǎn)P處的平均柱面照度可由下面公式計(jì)算 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)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(diǎn)光源的光強(qiáng) 點(diǎn)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 光源至計(jì)算點(diǎn)的距離 點(diǎn)光源光強(qiáng)方向和柱體軸線的夾角 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)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(qiáng)I 以及光強(qiáng)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(jì)算點(diǎn)之間的距離平方成反比 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法為了確定LED光源個(gè)數(shù)和LED的位置 必須通過有效計(jì)算LED照明器總的光通量 LED照明器光通量一般的計(jì)算方法有 光強(qiáng)計(jì)算法 環(huán)帶分割法 V H系統(tǒng)法 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法1 光強(qiáng)計(jì)算法考慮將LED燈具設(shè)置于球心 如右圖所示 對(duì)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 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法1 光強(qiáng)計(jì)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(qiáng) C 環(huán)帶系數(shù) 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法1 光強(qiáng)計(jì)算法 1 平均光強(qiáng)可以從光強(qiáng)球帶內(nèi)的光強(qiáng)平均值可由光強(qiáng)分布曲線 如下圖來估計(jì) 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法1 光強(qiáng)計(jì)算法 2 也可以根據(jù)函數(shù)平均值定理直接計(jì)算 得到在從 1到 2的球帶內(nèi)的光強(qiáng)平均值 基于此 可以有下面兩種計(jì)算燈具光通量的方法 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法a 環(huán)帶系數(shù)法 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法b 羅素角法環(huán)帶系數(shù)法中 m個(gè)環(huán)帶有相同的角寬度 但與球心相對(duì)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(qiáng)值的總和 這種與等立體角相對(duì)應(yīng)的環(huán)帶中心與鉛垂線的夾角 稱為羅素角 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法b 羅素角法 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法2 環(huán)帶分割法我國照明設(shè)計(jì)遵循國家頒布的 工業(yè)企業(yè)照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 進(jìn)行照度計(jì)算 而照度計(jì)算主要依據(jù)是燈具的配光曲線即光強(qiáng)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 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)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(dǎo)出來的一種簡(jiǎn)易 方便 實(shí)用的計(jì)算方法 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)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(gè)小環(huán)帶的面積乘以該面積上測(cè)得的平均照度值 即為該面積上的光通量 各個(gè)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 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)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(duì)應(yīng)半徑為R1 R2 Rn的不同環(huán)帶 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法2 環(huán)帶分割法各環(huán)帶面積分比為S1 S2 Sn 對(duì)應(yīng)各環(huán)帶所測(cè)平均照度分別為Erp1 Erp2 Erpn 各環(huán)帶的光通量分別為 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法2 環(huán)帶分割法 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法3 V H系統(tǒng)法對(duì)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(jì)算 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法3 V H系統(tǒng)法泛光照明應(yīng)用于某處場(chǎng)景或某個(gè)物體的照明 通常通過投光燈來實(shí)現(xiàn) 目的是大量增加其相對(duì)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(qiáng)的一種燈具 專為泛光照明而設(shè)計(jì)的投光燈 通常可以被指向任何方向 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法3 V H系統(tǒng)法所以對(duì)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(qiáng)的分布 例如下表所示 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)算方法3 V H系統(tǒng)法 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED照明器光通量的計(jì)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 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED光通量的計(jì)算通常采用如下的帶狀常數(shù)積分法來計(jì)算單芯片LED的光通量 m表示在垂直光軸方向的球帶等分?jǐn)?shù) n表示光軸方向球帶等分?jǐn)?shù) 一般情況下取m n 72 mid表示某一水平環(huán)帶中點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的和光軸方向的夾角 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED光通量的計(jì)算 mid表示某可以根據(jù)右圖所示的方法得到 7 3LED照明數(shù)據(jù)與計(jì)算 二 LED光通量的計(jì)算將這些算法經(jīng)過計(jì)算機(jī)編程后 在LED照明設(shè)計(jì)中可以更有效 方便的進(jìn)行照度計(jì)算 LED照明器光通量的計(jì)算和LED光源的設(shè)計(jì) 結(jié)合照明設(shè)計(jì)軟件可以更快速方便的進(jìn)行LED應(yīng)用于照明的設(shè)計(jì) 7 4LED照明光學(xué)系統(tǒng)的選擇 LED的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指把封裝后的LED做為光源 附加光學(xué)器件來達(dá)到照明或者顯示的要求 一般附加的光學(xué)元件可以分為發(fā)散光學(xué)器件和聚光光學(xué)器件 7 4LED照明光學(xué)系統(tǒng)的選擇 發(fā)散光學(xué)器件是用來擴(kuò)散光束角度 常用的發(fā)散光學(xué)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 4LED照明光學(xué)系統(tǒng)的選擇 聚光光學(xué)器件一般用來將入射光變?yōu)槠叫械某錾涔?再經(jīng)發(fā)散光學(xué)器件后達(dá)到設(shè)計(jì)要求 常用的這類光學(xué)器件 可以是透鏡 也可以是反射鏡 7 4LED照明光學(xué)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(shí)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 4LED照明光學(xué)系統(tǒng)的選擇 一 透鏡 透鏡通過折射原理來對(duì)光束起會(huì)聚或者發(fā)散作用 從而改變光通量的空間分布即光強(qiáng)的分布 透鏡的焦距計(jì)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(gè)面的曲率半徑 T表示透鏡的厚度 7 4LED照明光學(xué)系統(tǒng)的選擇 一 透鏡 1 對(duì)于薄透鏡則焦距計(jì)算公式為 7 4LED照明光學(xué)系統(tǒng)的選擇 一 透鏡 2 對(duì)于平凸透鏡R1 0 則焦距計(jì)算公式為 7 4LED照明光學(xué)系統(tǒng)的選擇 一 透鏡 2 對(duì)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(jì)相應(yīng)的透鏡 其中 1為透鏡入射角 2透鏡出射角 n為透鏡的折射率 7 4LED照明光學(xué)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 4LED照明光學(xué)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(diǎn)F處發(fā)出的光線變?yōu)槠叫泄?橢球反射面把左焦點(diǎn)F1處發(fā)出的光線會(huì)聚于右焦點(diǎn)F2處 雙曲面反射鏡把左焦點(diǎn)處的光源成像到右焦點(diǎn) 相當(dāng)于光線由右焦點(diǎn)發(fā)出 起到改變光源發(fā)散角的作用 7 4LED照明光學(xué)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 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(dá)到130o以上 孔徑角的大小表示收集光線的能力 也就是說非球面反射鏡的集光能力較強(qiáng) 透鏡則比較弱 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 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(fù)重 酸堿燈硫酸易溢出燒壞皮膚 鏗電池則不存在這個(gè)問題 此外 這種燈還節(jié)電 符合環(huán)保要求 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 1 LED礦燈設(shè)計(jì)基礎(chǔ)單只LED的光能量小 亮度低 為了達(dá)到戶外照明的要求 一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是由多個(gè)發(fā)光二極管組合在一起形成點(diǎn)光源 面光源或者體光源 一般LDE主要包括幾個(gè)部分 LED發(fā)光芯片 反光杯 連接正負(fù)極的引線框和環(huán)氧封裝 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 1 LED礦燈設(shè)計(jì)基礎(chǔ)所以單個(gè)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(gè)LED的設(shè)計(jì)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 5LED礦燈設(shè)計(jì) 1 LED礦燈設(shè)計(jì)基礎(chǔ)影響系統(tǒng)發(fā)光效果的主要因素有 芯片的個(gè)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(gè)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(gè)LED芯片放置在環(huán)氧樹脂平凸透鏡內(nèi) 如右圖所示 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 1 LED礦燈設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上圖中2表示的是其中兩個(gè)芯片的位置 另外兩個(gè)芯片放置在立方體另外兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上 整個(gè)發(fā)光體放置在拋物面反射鏡內(nèi) 如下圖所示 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 1 LED礦燈設(shè)計(jì)基礎(chǔ)環(huán)氧樹脂起到保護(hù)四個(gè)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 5LED礦燈設(shè)計(jì) 1 LED礦燈設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(diǎn)到反射面的矢徑 為對(duì)應(yīng)的半孔徑角 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 1 LED礦燈設(shè)計(jì)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(xué)表達(dá)式如下式所示 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 2 出射光束角為220的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中反射杯直徑為35mm 杯深為18mm 在ASAP中分別對(duì)加反射杯前和加反射杯后兩種情況進(jìn)行蒙特卡羅追跡 如下圖所示 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 2 出射光束角為220的設(shè)計(jì)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 5LED礦燈設(shè)計(jì) 2 出射光束角為220的設(shè)計(jì)根據(jù)追跡結(jié)果模擬出被照面上的相對(duì)光強(qiáng)分布曲線 如下圖所示 虛線表示對(duì)該照明器件實(shí)際測(cè)得的相對(duì)光強(qiáng)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(jì)的半強(qiáng)度角約為220 實(shí)際測(cè)得的約200 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 2 出射光束角為220的設(shè)計(jì)對(duì)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(yuǎn)的指定平面上體現(xiàn)出來 根據(jù)實(shí)際測(cè)得的光強(qiáng) 利用逐點(diǎn)計(jì)算法計(jì)算得到被照面上的相對(duì)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(duì)光照度分布曲線如下圖實(shí)線所示 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 2 出射光束角為220的設(shè)計(jì)虛線 逐點(diǎn)計(jì)算法計(jì)算得到被照面上的相對(duì)光照度分布曲線實(shí)線 在ASAP中模擬得到的相同條件下被照面上的相對(duì)光照度分布曲線 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 3 出射光為平行光的設(shè)計(jì)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(duì)加反射杯前后兩種情況重新進(jìn)行光線追跡 追跡結(jié)果如下圖所示 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 3 出射光為平行光的設(shè)計(jì) 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 3 出射光為平行光的設(shè)計(jì)修改后的系統(tǒng)相對(duì)光強(qiáng)分布曲線如下圖所示 半強(qiáng)度角約為30 表示光線基本以平行光出射 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 3 出射光為平行光的設(shè)計(jì)相對(duì)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(duì)更加均勻和集中 中心照度相對(duì)集中 周圍照度逐漸減小 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 3 出射光為平行光的設(shè)計(jì)由以上分析結(jié)果可以看出 在一般照明設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)上 通過定義光強(qiáng)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(qiáng) 光通量和光照度等相關(guān)的分布曲線 7 5LED礦燈設(shè)計(jì) 3 出射光為平行光的設(shè)計(jì)通過改變?cè)O(shè)計(jì)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(dá)到設(shè)計(jì)要求 即在制作原型系統(tǒng)或者大批量生產(chǎn)前做光學(xué)系統(tǒng)的仿真 使設(shè)計(jì)人員可以更直觀快速的看到設(shè)計(jì)結(jié)果 從而縮短了產(chǎn)品市場(chǎng)化的時(shí)間 同時(shí)減少了材料的浪費(fèi) 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(zhǎng) 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(shí) 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(huì)對(duì)文物造成不同程度的損害 7 6應(yīng)用于博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380 780nm波段內(nèi)的相對(duì)光強(qiáng)比較大 在紫外和紅外波段相對(duì)光強(qiáng)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(jì)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(jì)思想 1 光通量守恒為了更清楚的表達(dá)設(shè)計(jì)的基本思路 假設(shè)光源為擴(kuò)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(jì)思想 1 光通量守恒假定圓柱體底面所在平面為xy平面 右圖為整個(gè)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(jì)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(jì)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(jì)思想 2 反射定律當(dāng)應(yīng)用于博物館照明時(shí)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(jì)算機(jī)模擬在光學(xué)軟件ASAP中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析 光源采用白光LED環(huán)形光源 共有12個(gè)白光LED環(huán)狀排列 每個(gè)LED的半強(qiáng)度角為30 屬于高指向性白光LED 型號(hào)為T 1 3 4 封裝形式為環(huán)氧封裝 經(jīng)平凸透鏡會(huì)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)模擬假定圓柱體底面中心為坐標(biāo)軸原點(diǎn) 為了方便計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)模擬通過計(jì)算機(jī)編程可以從方程得到一系列的對(duì)應(yīng)于不同的x的z和Z 值 在光學(xué)軟件ASAP中模擬出旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的反射鏡面和圓柱體 并進(jìn)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(jì)算機(jī)模擬在ASAP中進(jìn)行蒙特卡羅光線追跡時(shí) 設(shè)定光源發(fā)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(dá)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(jì)算機(jī)模擬將光源放置在距離圓柱體底端足夠遠(yuǎn)處 選取11條光線進(jìn)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(jì)算機(jī)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)用于博物館文物展示的白光LED照明系統(tǒng) 2 系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)模擬對(duì)于博物館中展示的不同的文物 根據(jù)形狀的不同由計(jì)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(gè)數(shù) 位置和發(fā)散角 同樣可以改變整個(gè)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射燈設(shè)計(jì) 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(diǎn)光 光澤 陰影和材質(zhì)感的表現(xiàn)力非常強(qiáng) 特定視覺工作用的 為照亮某個(gè)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(duì)于局部地點(diǎn)需要高照度并對(duì)照射方向有要求時(shí) 可裝設(shè)局部照明 7 7白光LED射燈設(shè)計(jì) 對(duì)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(shí) 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(qiáng)某一方向的光照 以增強(qiáng)質(zhì)感 7 7白光LED射燈設(shè)計(jì) 1 白光LED射燈設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中的射燈光源內(nèi)部LED芯片封裝如下圖所示 共有49個(gè)芯片 LED尺寸300umx300um 1W光源芯片個(gè)數(shù)16個(gè) 2W光源芯片個(gè)數(shù)33個(gè) 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(jì) 1 白光LED射燈設(shè)計(jì)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(jì) 1 白光LED射燈設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的白熾燈射燈 由于發(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(jì) 1 白光LED射燈設(shè)計(jì)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(huì)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(qiáng)度比同功率的拋物面反射型高 橢球反射面的另一個(gè)重要特點(diǎn)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(jì) 1 白光LED射燈設(shè)計(jì)橢球面反射型射燈如下圖所示 7 7白光LED射燈設(shè)計(jì) 1 白光LED射燈設(shè)計(jì) 7 7白光LED射燈設(shè)計(jì) 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(jì) 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(jì) 2 白光LED射燈特性參數(shù)下圖是白光LED光源的光強(qiáng)分布 白光LED光源的光強(qiáng)角約為450 7 7白光LED射燈設(shè)計(jì) 2 白光LED射燈特性參數(shù)下圖白光LED射燈的光強(qiáng)分布 白光LED射燈的光強(qiáng)角約為190 7 7白光LED射燈設(shè)計(jì) 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(jì)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(dāng)照度比 直接型眩光小 同時(shí)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(jì) 2 白光LED射燈特性參數(shù) 7 7白光LED射燈設(shè)計(jì) 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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定符合工作面允許的照明最低均勻度可達(dá)0 5 0 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