光学设计 第14讲 LED灯具光学

1、灯具光学设计基础灯具光学设计基础五邑大学五邑大学 应用物理与材料学院应用物理与材料学院灯具光学设计灯具光学设计1、室内照明灯具光学系统室内照明灯具光学系统 2、室外照明，、室外照明，LED路灯路灯3、汽车照明、汽车照明4、交通信号灯、交通信号灯5、手机应用灯具光学系统手机应用灯具光学系统6、LED景观照明景观照明6、显示屏、显示屏室内照明灯具光学系统室内照明灯具光学系统lLED 日光管系列日光管系列lLED 球泡灯系列球泡灯系列lLED 射灯系列射灯系列lLED 筒灯系列筒灯系列lLED 天花灯系列天花灯系列lLED 面板灯系列面板灯系列日光灯光扩罩透光率达到光扩罩透光率达到92%，一般产品只

2、能达到，一般产品只能达到85% 射灯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。性的灯具，一般是用于普通照明或辅助照明。 LED道路照明道路照明2008年年12月，科技部月，科技部高新司提出了开展高新司提出了开展“十城万盏十城万盏”LED应应用试点示范城市用试点示范城市。1、十城万盏、十城万盏经济效益：环境效应2、LED道路照明基础道路照明基础目的：目的：为驾驶者和行人提供良好的视觉条件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

3、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道路照明现状高压钠灯和金属卤化物灯缺缺 点：点：灯具直接照射的方向上照度高，存在灯具直接照射的方向上照度高，存在过度照明的现象过度照明的现象此类灯具反射器的效率仅为：此类灯具反射器的效率仅为：50-60%，总体效率低，不超过总体效率低，不超过70%3、道路照明的质量评价、道路照明的质量评价1）路面平均亮度：）路面平均亮度：2）路面亮度均匀性：最小亮度）路面亮度均匀性：最小亮度/平均亮度平均亮度3）眩光控制水平）眩光控制水平:4）环境照明系数）环境照明系数:环境亮度对驾驶员的影响环境亮度对驾驶员的影响5）视觉引导性：）视觉引导性：1）亮度）

4、亮度dSdIL 光源在单位面积上的发光强度光源在单位面积上的发光强度cos2dSdFdL亮度均匀性：亮度均匀性：dSdIL cos2dSdFdLavLL/min亮度均匀性：亮度均匀性：纵向亮度均匀性：纵向亮度均匀性：maxmin/ LL2）眩光控制）眩光控制失能眩光失能眩光不舒适眩光不舒适眩光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、道路照明标准不同等级道路照明标准不同等级道路照明标准等等级级所有道路所有道路较小交叉路口较小交叉路口的道路

5、的道路带人行道的带人行道的道路道路平均路面亮平均路面亮度度整体均匀度整体均匀度 车道平均亮度车道平均亮度环境照明系环境照明系数数M120.40.70.5M21.50.40.70.5M310.40.50.5M40.750.4-M50.50.4-级别道路类型路面亮度路面照度眩光限制环境比SR最小值平均亮度(cd/m2)总均匀度纵向均匀度平均照度Eav(lx)均匀度快速路、主干路1.5/2.00.40.720/300.4100.5次干路0.75/1.00.40.510/150.35100.5支路0.5/0.750.48/100.315机动车交通道路照明标准值我国道路照明标准我国道路照明标准道路交汇区

6、平均照度表道路交汇区平均照度表交汇区类型路面平均照度（lx）照度平均值眩光限制主干道与主干道交汇30/500.4在驾驶员观看灯具的方位角上，灯具在80度和90度高度方向上的光强分布不得超过30cd/1000lm和10cd/1000lm主干道与次干道交汇主干道与支路交汇次干道与次干道交汇20/30次干道与支路交汇支路与支路交汇15/20人行道照明标准人行道照明标准夜间行人夜间行人流量流量区域区域路面平均路面平均照度（照度（lx）路面最小路面最小照度（照度（lx）最小垂直最小垂直照度（照度（lx）流量大的流量大的道路道路商业区207.54居住区1032流量中的流量中的道路道路商业区1553居住区7

7、.51.51.5流量小的流量小的道路道路商业区1032居住区511节能指标节能指标隧道灯道路分段计标准隧道灯道路分段计标准车速Km/h引入段适应段过渡段距离/m亮度Cd/m2距离/m 亮度Cd/m2距离/m亮度Cd/m28040804080-464046-4.56025503050-303030-2.34015302030-202020-1.520及以下11.01.0隧道灯区段照明长度及路面最低亮度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在道路照明中的优势及难点1）光效高、能耗低）光效高、能耗低2）瞬时启动）瞬时启动3）寿命长）寿命长4）显色性好）显色性好5）便于光学

8、设计）便于光学设计6）便于调光控制）便于调光控制7）总成比低）总成比低LED路灯与高压钠灯对比路灯与高压钠灯对比项目功率/W总功率/KW平均寿命/h年用电量/万度年换灯费用/万元年运营费用/万元5年运营费用/万元LED路灯7512500005.5405.5427.7高压钠灯路灯190 30.4 5000171.622.61132.4Km长的道路，宽长的道路，宽9m，使用，使用8m高的路灯照明，共高的路灯照明，共160个路灯，个路灯，150W高压钠灯和高压钠灯和60W LED路灯照明。安路灯照明。安装初始成本：装初始成本：LED：51.2万元，钠灯：万元，钠灯：9.6万元万元5、LED道路照明配

9、光道路照明配光配光分布：配光分布：一次光学一次光学+二次光学二次光学多颗多颗LED均匀排列，再在此基础上配均匀排列，再在此基础上配光光将将LED分成几个模块，每个模块以分成几个模块，每个模块以一定的角度组合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现有LED路灯问题路灯问题l2009年深圳市对年深圳市对27家企业家企业27个型号的个型号的LED路灯进行路灯进行了测试。了测试。l在在27盏盏LED路灯中，在路灯中，在平均照度平均照度方面，大约有方面，大约有93%的的产品达到产品达到城市道路照明标准城市道路照明标准对对次干路的要求次干路的要求，而，而所有路灯均未达到主干路的标准；另外，

10、在所有路灯均未达到主干路的标准；另外，在照度总均照度总均匀度匀度方面，只有方面，只有22%的的LED路灯达到了道路照明对主路灯达到了道路照明对主次干道的要求。次干道的要求。l从上述测试可以看出，现有的国内从上述测试可以看出，现有的国内LED路灯只能初步路灯只能初步满足满足道路照明标准对次干道的要求道路照明标准对次干道的要求，离符合主干道的，离符合主干道的所要求的各项光学指标还有一段距离。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：自由曲面透镜的设计：结合结合边缘光线原理及曲面控边缘光线原理及曲面控制网格的节点法线矢量的匹配法制网格的节点法线矢量的匹配法，使配光曲线呈蝙

11、蝠翼，使配光曲线呈蝙蝠翼分布，符合道路照明标准。分布，符合道路照明标准。一次光学透镜做配光：一次光学透镜做配光：随着封装技术和精密注塑成型随着封装技术和精密注塑成型技术的进步，技术的进步，用来配光的二次光学和用来配光的二次光学和LED芯片直接封装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。在一起，直接在一次光学透镜上作配光是一种趋势。 透镜的模块化透镜的模块化：也是将是配光技术的一种趋势，：也是将是配光技术的一种趋势，容易容易组装成不同功率的组装成不同功率的LED路灯路灯；兼顾了防水、防尘，可以；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，避直接裸露在外，

12、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免了玻璃灯罩所附加的菲涅尔损耗。 LED路灯设计及趋势路灯设计及趋势LED 汽车照明汽车照明1、背景车外照明：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：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LS600h LED 前照灯综述前照灯综述光学设计LED 近光灯的光型

13、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（Parabolic cylinder reflector）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

14、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（复合式抛物面聚光镜（CPC）及其在汽车前照灯中的应用及其在汽车前照灯中的应用CPC的基本形状如图所示。三维的的基本形状如图所示。三维的CPC反射反射面由二维的轮廓曲线绕对称轴旋转而成。面由二维的轮廓曲线绕对称轴旋转而成。 )sin1 (max af其中：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sin max 之间的关系为： max2221sin1)(ddc CPC的光线分析如图所示。从此图可以得出，只要光线的偏只要光线的偏折角在折角在max以内，都可以经过以

15、内，都可以经过最多一次反射到达出射口。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。对于偏折角小于对于偏折角小于max 。的光线，收集能量的效率是最的光线，收集能量的效率是最高的。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在在LED汽车灯具汽车灯具设计中的作用设计中的作用 现在LED已经成功地应用在汽车信号灯上。如果将光源放在如果将光源放在CPC的出射口，根据光路的可的出射口，根据光路的可逆原理，光源发出的光线经过逆原理，光源发出的光线经过反射，必然从入射口出射，并反射，必然从入射

16、口出射，并且出射光线的最大角为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几乎所有的光线最多只经过一次反射，因此这种次反射，因此这种CPC的光线的光线利用率高于所有其他类型的聚利用率高于所有其他类型的聚光器光器。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：12200cdCRC对LED的聚光效果CRC聚光角为聚光角为30度度朗伯光源（聚光后）光强最大值为：12200cdCRC聚光角为聚光角为30度度CRC聚光角为聚光角为15度度朗伯光源（聚光后）光强最大值为：106000cd五、五、LED显示屏中的光学设计显示屏中的光学设计LE

17、D显示屏显示屏lLED显示屏的分类显示屏的分类l颜色显示颜色显示lLED显示屏的结构显示屏的结构l虚拟像素技术虚拟像素技术l农业中的应用农业中的应用1、LED显示屏的分类显示屏的分类l单基色单基色LED显示屏显示屏 l双基色双基色LED显示屏显示屏 l室内双基色室内双基色LED显示屏显示屏 l全彩色（三基色）全彩色（三基色）LED显示屏显示屏颜色的表示颜色的表示: C=X(X)+Y(Y)+Z(Z)三原色：三原色：R,红色（红色（X）：）：700nmG,绿色（绿色（Y）：）：546.1nmB,蓝色（蓝色（Z）：）：435.8nm2、颜色显示、颜色显示全彩全彩LED显示屏彩色形成的原理显示屏彩色形

18、成的原理用电流大小将单个二极管的颜色分成用电流大小将单个二极管的颜色分成256个个等级，总的颜色数：等级，总的颜色数：16777216种颜色种颜色。真彩屏的条件真彩屏的条件1、 三种颜色的发光二极管能够混合出白色三种颜色的发光二极管能够混合出白色 三基色亮度要求：三基色亮度要求： R:G:B=1:6:32、 三基色波长要求：正红，正绿，正蓝：三基色波长要求：正红，正绿，正蓝：3、LED显示屏的结构显示屏的结构2R,1G,1B像素：像素：2R, 1G, 1B 1R，2G，1B点间距：像素中心距离点间距：像素中心距离, P5-5mm分辨率：分辨率：8032 最佳视距最佳视距显示屏显示屏LED模块模

19、块模组模组LED显示屏的构成显示屏的构成显示屏硬件组成显示屏硬件组成4、虚拟像素技术、虚拟像素技术利用人眼的视觉暂留现象，对实像素进行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（虚像素分时复用，复现更多显示信息点（虚像素点）的技术，也就是点）的技术，也就是像素共享技术。像素共享技术。 实像素显示管理实像素显示管理33一共一共9个像素点，每个像素点独个像素点，每个像素点独立显示信息立显示信息虚拟像素技术：像素点部分复用，但不相同虚拟像素技术：像素点部分复用，但不相同四场合成：四场合成： 虚像素点数约为实像素点数的虚像素点数约为实像素点数的4倍倍 LED灯具仿真设计灯具仿真设

20、计lASAP的计算机仿真的计算机仿真几何体的构造几何体的构造CAD和ASAP自身指令库构造光源库定义：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

21、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：考虑因素：l输出亮度l散热l光学设计lLED本身的出光光形交通信号灯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

22、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传统交通信号灯的结构一是由于反光碗的存在，导一是由于反光碗的存在，导致假显示效应：入射阳光致假显示效应：入射阳光+有有色透镜色透镜+反光器反射反光器反射=点亮点亮 二、寿命短，维护费用高：二、寿命短，维护费用高：由于工作条件严酷（点亮频由于工作条件严酷（点亮频繁，环境温度高），繁，环境温度高），1500h 三、有色配光镜多有塑料构三、有色配光镜多有塑料构成，阳光照射下褪色。成，阳光照射下褪色。 四、是白炽灯功率通常为四、是白炽灯功率通常为100150W，耗电量太，耗电量太 LED交通信号灯的结构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