光學設(shè)計 第14講 LED燈具光學

1、燈具光學設(shè)計基礎(chǔ)燈具光學設(shè)計基礎(chǔ)五邑大學五邑大學 應用物理與材料學院應用物理與材料學院燈具光學設(shè)計燈具光學設(shè)計1、室內(nèi)照明燈具光學系統(tǒng)室內(nèi)照明燈具光學系統(tǒng) 2、室外照明，、室外照明，LED路燈路燈3、汽車照明、汽車照明4、交通信號燈、交通信號燈5、手機應用燈具光學系統(tǒng)手機應用燈具光學系統(tǒng)6、LED景觀照明景觀照明6、顯示屏、顯示屏室內(nèi)照明燈具光學系統(tǒng)室內(nèi)照明燈具光學系統(tǒng)lLED 日光管系列日光管系列l(wèi)LED 球泡燈系列球泡燈系列l(wèi)LED 射燈系列射燈系列l(wèi)LED 筒燈系列筒燈系列l(wèi)LED 天花燈系列天花燈系列l(wèi)LED 面板燈系列面板燈系列日光燈光擴罩透光率達到光擴罩透光率達到92%，一般產(chǎn)品只

2、能達到，一般產(chǎn)品只能達到85% 射燈射燈射燈是一種高度聚光的燈具，它的光線照射是具有可指定特定目標的 筒燈筒燈是一種相對于普通明裝的燈具更具有聚光筒燈是一種相對于普通明裝的燈具更具有聚光性的燈具，一般是用于普通照明或輔助照明。性的燈具，一般是用于普通照明或輔助照明。 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開展高新司提出了開展“十城萬盞十城萬盞”LED應應用試點示范城市用試點示范城市。1、十城萬盞、十城萬盞經(jīng)濟效益：環(huán)境效應2、LED道路照明基礎(chǔ)道路照明基礎(chǔ)目的：目的：為駕駛者和行人提供良好的視覺條件為駕駛者和行人提供良好的視覺條件特別是為機動車駕駛者提供安全的視

3、覺條件特別是為機動車駕駛者提供安全的視覺條件道路照明現(xiàn)狀道路照明現(xiàn)狀高壓鈉燈和金屬鹵化物燈缺缺 點：點：燈具直接照射的方向上照度高，存在燈具直接照射的方向上照度高，存在過度照明的現(xiàn)象過度照明的現(xiàn)象此類燈具反射器的效率僅為：此類燈具反射器的效率僅為：50-60%，總體效率低，不超過總體效率低，不超過70%3、道路照明的質(zhì)量評價、道路照明的質(zhì)量評價1）路面平均亮度：）路面平均亮度：2）路面亮度均勻性：最小亮度）路面亮度均勻性：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）環(huán)境照明系數(shù)）環(huán)境照明系數(shù):環(huán)境亮度對駕駛員的影響環(huán)境亮度對駕駛員的影響5）視覺引導性：）視覺引導性：1）亮度）

4、亮度dSdIL 光源在單位面積上的發(fā)光強度光源在單位面積上的發(fā)光強度cos2dSdFdL亮度均勻性：亮度均勻性：dSdIL cos2dSdFdLavLL/min亮度均勻性：亮度均勻性：縱向亮度均勻性：縱向亮度均勻性：maxmin/ LL2）眩光控制）眩光控制失能眩光失能眩光不舒適眩光不舒適眩光3）視覺引導性：利用燈飾、燈桿位置、顏色特性引導駕視覺引導性：利用燈飾、燈桿位置、顏色特性引導駕駛員認知前方道路方向駛員認知前方道路方向國際照明委員會（CIE）機動車交通道路照明標準3、道路照明標準、道路照明標準不同等級道路照明標準不同等級道路照明標準等等級級所有道路所有道路較小交叉路口較小交叉路口的道路

5、的道路帶人行道的帶人行道的道路道路平均路面亮平均路面亮度度整體均勻度整體均勻度 車道平均亮度車道平均亮度環(huán)境照明系環(huán)境照明系數(shù)數(shù)M120.40.70.5M21.50.40.70.5M310.40.50.5M40.750.4-M50.50.4-級別道路類型路面亮度路面照度眩光限制環(huán)境比SR最小值平均亮度(cd/m2)總均勻度縱向均勻度平均照度Eav(lx)均勻度快速路、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機動車交通道路照明標準值我國道路照明標準我國道路照明標準道路交匯區(qū)

6、平均照度表道路交匯區(qū)平均照度表交匯區(qū)類型路面平均照度（lx）照度平均值眩光限制主干道與主干道交匯30/500.4在駕駛員觀看燈具的方位角上，燈具在80度和90度高度方向上的光強分布不得超過30cd/1000lm和10cd/1000lm主干道與次干道交匯主干道與支路交匯次干道與次干道交匯20/30次干道與支路交匯支路與支路交匯15/20人行道照明標準人行道照明標準夜間行人夜間行人流量流量區(qū)域區(qū)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業(yè)區(qū)207.54居住區(qū)1032流量中的流量中的道路道路商業(yè)區(qū)1553居住區(qū)7

7、.51.51.5流量小的流量小的道路道路商業(yè)區(qū)1032居住區(qū)511節(jié)能指標節(jié)能指標隧道燈道路分段計標準隧道燈道路分段計標準車速Km/h引入段適應段過渡段距離/m亮度Cd/m2距離/m 亮度Cd/m2距離/m亮度Cd/m28040804080-464046-4.56025503050-303030-2.34015302030-202020-1.520及以下11.01.0隧道燈區(qū)段照明長度及路面最低亮度隧道燈區(qū)段照明長度及路面最低亮度4、LED在道路照明中的優(yōu)勢及難點在道路照明中的優(yōu)勢及難點1）光效高、能耗低）光效高、能耗低2）瞬時啟動）瞬時啟動3）壽命長）壽命長4）顯色性好）顯色性好5）便于光學

8、設(shè)計）便于光學設(shè)計6）便于調(diào)光控制）便于調(diào)光控制7）總成比低）總成比低LED路燈與高壓鈉燈對比路燈與高壓鈉燈對比項目功率/W總功率/KW平均壽命/h年用電量/萬度年換燈費用/萬元年運營費用/萬元5年運營費用/萬元LED路燈7512500005.5405.5427.7高壓鈉燈路燈190 30.4 5000171.622.61132.4Km長的道路，寬長的道路，寬9m，使用，使用8m高的路燈照明，共高的路燈照明，共160個路燈，個路燈，150W高壓鈉燈和高壓鈉燈和60W LED路燈照明。安路燈照明。安裝初始成本：裝初始成本：LED：51.2萬元，鈉燈：萬元，鈉燈：9.6萬元萬元5、LED道路照明配

9、光道路照明配光配光分布：配光分布：一次光學一次光學+二次光學二次光學多顆多顆LED均勻排列，再在此基礎(chǔ)上配均勻排列，再在此基礎(chǔ)上配光光將將LED分成幾個模塊，每個模塊以分成幾個模塊，每個模塊以一定的角度組合一定的角度組合單個LED上配二次光學透鏡或者反光杯現(xiàn)有現(xiàn)有LED路燈問題路燈問題l2009年深圳市對年深圳市對27家企業(yè)家企業(yè)27個型號的個型號的LED路燈進行路燈進行了測試。了測試。l在在27盞盞LED路燈中，在路燈中，在平均照度平均照度方面，大約有方面，大約有93%的的產(chǎn)品達到產(chǎn)品達到城市道路照明標準城市道路照明標準對對次干路的要求次干路的要求，而，而所有路燈均未達到主干路的標準；另外，

10、在所有路燈均未達到主干路的標準；另外，在照度總均照度總均勻度勻度方面，只有方面，只有22%的的LED路燈達到了道路照明對主路燈達到了道路照明對主次干道的要求。次干道的要求。l從上述測試可以看出，現(xiàn)有的國內(nèi)從上述測試可以看出，現(xiàn)有的國內(nèi)LED路燈只能初步路燈只能初步滿足滿足道路照明標準對次干道的要求道路照明標準對次干道的要求，離符合主干道的，離符合主干道的所要求的各項光學指標還有一段距離。所要求的各項光學指標還有一段距離。 例：路燈設(shè)計 自由曲面透鏡的設(shè)計：自由曲面透鏡的設(shè)計：結(jié)合結(jié)合邊緣光線原理及曲面控邊緣光線原理及曲面控制網(wǎng)格的節(jié)點法線矢量的匹配法制網(wǎng)格的節(jié)點法線矢量的匹配法，使配光曲線呈蝙

11、蝠翼，使配光曲線呈蝙蝠翼分布，符合道路照明標準。分布，符合道路照明標準。一次光學透鏡做配光：一次光學透鏡做配光：隨著封裝技術(shù)和精密注塑成型隨著封裝技術(shù)和精密注塑成型技術(shù)的進步，技術(shù)的進步，用來配光的二次光學和用來配光的二次光學和LED芯片直接封裝芯片直接封裝在一起，直接在一次光學透鏡上作配光是一種趨勢。在一起，直接在一次光學透鏡上作配光是一種趨勢。 透鏡的模塊化透鏡的模塊化：也是將是配光技術(shù)的一種趨勢，：也是將是配光技術(shù)的一種趨勢，容易容易組裝成不同功率的組裝成不同功率的LED路燈路燈；兼顧了防水、防塵，可以；兼顧了防水、防塵，可以直接裸露在外，從而可以省去了最外面的玻璃燈罩，避直接裸露在外，

12、從而可以省去了最外面的玻璃燈罩，避免了玻璃燈罩所附加的菲涅爾損耗免了玻璃燈罩所附加的菲涅爾損耗。 LED路燈設(shè)計及趨勢路燈設(shè)計及趨勢LED 汽車照明汽車照明1、背景車外照明：車外照明：遠/近光燈、前霧燈、車牌燈，車外信號燈（指測/后轉(zhuǎn)信號燈、剎車燈、后霧燈）車內(nèi)照明：車內(nèi)照明：儀表燈、閱讀燈車外照明和信號燈是強制性檢驗的汽車用燈車外照明和信號燈是強制性檢驗的汽車用燈前照燈光學設(shè)計特點前照燈光學設(shè)計特點前照近光燈是一種在夜間低速行駛或者在會車時使用的照明燈,使用時不但應保證司機能看清障礙物,而且不能讓迎面開車司機或行人產(chǎn)生眩目LS600h LED 前照燈綜述前照燈綜述光學設(shè)計LED 近光燈的光型

13、是通過4 個單元所產(chǎn)生的光型疊加而成（圖7）。三元投射單元13 具有聚光的功能，可以轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)動態(tài)變光功能。反射鏡單元4 有一個很大的散射角度，即使在光型固定的情況下，也能使近光燈照射到足夠?qū)挼穆访嬗捎趥鹘y(tǒng)方法通過擋板的遮擋而實現(xiàn)截止線，從而造成了截止線上方的光線被浪費掉，因此，我們研制了一種LED高效投光器，把截止線上方的光線折疊到截止線下方而不浪費任何光源（圖8）。由于拋物柱面反射鏡（Parabolic cylinder reflector）的光學特性，反射單元可以在一個腔體里面安裝多個LED， 因此， 使用2 顆LED 以增加靠近車輛以及車輛兩側(cè)的照度近光燈配光屏幕分布配光屏安裝時偏轉(zhuǎn)一

14、定的角度，左側(cè)邊緣傾斜15，使近光的光形有一條明顯的明暗截止線 復合式拋物面聚光鏡（復合式拋物面聚光鏡（CPC）及其在汽車前照燈中的應用及其在汽車前照燈中的應用CPC的基本形狀如圖所示。三維的的基本形狀如圖所示。三維的CPC反射反射面由二維的輪廓曲線繞對稱軸旋轉(zhuǎn)而成。面由二維的輪廓曲線繞對稱軸旋轉(zhuǎn)而成。 )sin1 (max af其中：CPC的入口直徑d1、出口直徑d2及最大入射角max 如圖所示。其中，d2=2a；d1和d2與sin max 之間的關(guān)系為： max2221sin1)(ddc CPC的光線分析如圖所示。從此圖可以得出，只要光線的偏只要光線的偏折角在折角在max以內(nèi)，都可以經(jīng)過以

15、內(nèi)，都可以經(jīng)過最多一次反射到達出射口。最多一次反射到達出射口。若在出射口處放置一些需要加熱的裝置，就可以起到加熱的作用。對于偏折角小于對于偏折角小于max 。的光線，收集能量的效率是最的光線，收集能量的效率是最高的。高的。如果我們觀察出太陽光線的偏折角并將其作為靠積，收集太陽能的效率也將是最高的。CPC不僅被廣泛用來收集太陽能。CPC在在LED汽車燈具汽車燈具設(shè)計中的作用設(shè)計中的作用 現(xiàn)在LED已經(jīng)成功地應用在汽車信號燈上。如果將光源放在如果將光源放在CPC的出射口，根據(jù)光路的可的出射口，根據(jù)光路的可逆原理，光源發(fā)出的光線經(jīng)過逆原理，光源發(fā)出的光線經(jīng)過反射，必然從入射口出射，并反射，必然從入射

16、口出射，并且出射光線的最大角為且出射光線的最大角為max 。這樣CPC就起聚光作用，同時幾乎所有的光線最多只經(jīng)過一幾乎所有的光線最多只經(jīng)過一次反射，因此這種次反射，因此這種CPC的光線的光線利用率高于所有其他類型的聚利用率高于所有其他類型的聚光器光器。朗伯光源（聚光前）光強最大值為452cd朗伯光源（聚光后）光強最大值為：12200cdCRC對LED的聚光效果CRC聚光角為聚光角為30度度朗伯光源（聚光后）光強最大值為：12200cdCRC聚光角為聚光角為30度度CRC聚光角為聚光角為15度度朗伯光源（聚光后）光強最大值為：106000cd五、五、LED顯示屏中的光學設(shè)計顯示屏中的光學設(shè)計LE

17、D顯示屏顯示屏lLED顯示屏的分類顯示屏的分類l顏色顯示顏色顯示lLED顯示屏的結(jié)構(gòu)顯示屏的結(jié)構(gòu)l虛擬像素技術(shù)虛擬像素技術(shù)l農(nóng)業(yè)中的應用農(nóng)業(yè)中的應用1、LED顯示屏的分類顯示屏的分類l單基色單基色LED顯示屏顯示屏 l雙基色雙基色LED顯示屏顯示屏 l室內(nèi)雙基色室內(nèi)雙基色LED顯示屏顯示屏 l全彩色（三基色）全彩色（三基色）LED顯示屏顯示屏顏色的表示顏色的表示: C=X(X)+Y(Y)+Z(Z)三原色：三原色：R,紅色（紅色（X）：）：700nmG,綠色（綠色（Y）：）：546.1nmB,藍色（藍色（Z）：）：435.8nm2、顏色顯示、顏色顯示全彩全彩LED顯示屏彩色形成的原理顯示屏彩色形

18、成的原理用電流大小將單個二極管的顏色分成用電流大小將單個二極管的顏色分成256個個等級，總的顏色數(shù)：等級，總的顏色數(shù)：16777216種顏色種顏色。真彩屏的條件真彩屏的條件1、 三種顏色的發(fā)光二極管能夠混合出白色三種顏色的發(fā)光二極管能夠混合出白色 三基色亮度要求：三基色亮度要求： R:G:B=1:6:32、 三基色波長要求：正紅，正綠，正藍：三基色波長要求：正紅，正綠，正藍：3、LED顯示屏的結(jié)構(gòu)顯示屏的結(jié)構(gòu)2R,1G,1B像素：像素：2R, 1G, 1B 1R，2G，1B點間距：像素中心距離點間距：像素中心距離, P5-5mm分辨率：分辨率：8032 最佳視距最佳視距顯示屏顯示屏LED模塊模

19、塊模組模組LED顯示屏的構(gòu)成顯示屏的構(gòu)成顯示屏硬件組成顯示屏硬件組成4、虛擬像素技術(shù)、虛擬像素技術(shù)利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象，對實像素進行利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象，對實像素進行分時復用，復現(xiàn)更多顯示信息點（虛像素分時復用，復現(xiàn)更多顯示信息點（虛像素點）的技術(shù)，也就是點）的技術(shù)，也就是像素共享技術(shù)。像素共享技術(shù)。 實像素顯示管理實像素顯示管理33一共一共9個像素點，每個像素點獨個像素點，每個像素點獨立顯示信息立顯示信息虛擬像素技術(shù)：像素點部分復用，但不相同虛擬像素技術(shù)：像素點部分復用，但不相同四場合成：四場合成： 虛像素點數(shù)約為實像素點數(shù)的虛像素點數(shù)約為實像素點數(shù)的4倍倍 LED燈具仿真設(shè)計燈具仿真設(shè)

20、計lASAP的計算機仿真的計算機仿真幾何體的構(gòu)造幾何體的構(gòu)造CAD和ASAP自身指令庫構(gòu)造光源庫定義：光源庫定義：CAD中定義光源形狀，再附加光源特性參數(shù)BMP格式發(fā)光體的二維發(fā)光圖片輸入到ASAP，轉(zhuǎn)換成DIS格式文件根據(jù)已經(jīng)測得的光源的光強分布定義光線追跡和結(jié)果分析光線追跡和結(jié)果分析 光線的傳播路線由幾何體形狀、物體材料以及光線經(jīng)過界面的反射、折射、散射、衍射和吸收等光學性質(zhì)決定。所謂光線追跡是指追跡通過三維物理模型的光線。光線在界面上的反射遵循反射和折射定律，光線在界面上還遵循菲涅耳定律，從而可以計算出折射和反射的光通量、光線的方向以及界面上的反射率R和透射率T。 在光線追跡過程中，通常

21、采用蒙特卡羅方法。該方法是一種數(shù)值分析方法，隨機選取光線的位置和方向作為樣本，增加樣本數(shù)量可以提高光線追跡結(jié)果 的準確性。蒙特卡羅方法蒙特卡羅方法又稱統(tǒng)計模擬法、隨機抽樣技術(shù)，是一種隨機模擬方法，以概率和統(tǒng)計理論方法為基礎(chǔ)的一種計算方法，是使用隨機數(shù)（或更常見的偽隨機數(shù)）來解決很多計算問題的方法。將所求解的問題同一定的概率模型相聯(lián)系，用電子計算機實現(xiàn)統(tǒng)計模擬或抽樣，以獲得問題的近似解。 考慮因素：考慮因素：l輸出亮度l散熱l光學設(shè)計lLED本身的出光光形交通信號燈交通信號燈交通信號燈由紅燈（表示禁止通行）、綠燈（表示允許通行）、黃燈（表示警示）組成分為：機動車信號燈、非機動車信號燈、人行橫道信

22、號燈、車道信號燈、方向指示信號燈、閃光警告信號燈、道路與鐵路平面交叉道口信號燈。 設(shè)計要求1、標準：符合GB14887-2003標準。 2、外觀設(shè)計：外觀專門為LED光源所設(shè)計，外形美觀，工藝精細，便于多種組合安裝。 3、透光設(shè)計：透光鏡片的外表面采用傾斜面設(shè)計，不易積塵。 4、外殼材料：外殼采壓鑄鋁或聚碳酸酯（PC）材料與硅橡膠密封件，具有防塵、防水、阻燃、抗老化特點，使用壽命長。 傳統(tǒng)交通信號燈的結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)交通信號燈的結(jié)構(gòu)一是由于反光碗的存在，導一是由于反光碗的存在，導致假顯示效應：入射陽光致假顯示效應：入射陽光+有有色透鏡色透鏡+反光器反射反光器反射=點亮點亮 二、壽命短，維護費用高：二、壽命短，維護費用高：由于工作條件嚴酷（點亮頻由于工作條件嚴酷（點亮頻繁，環(huán)境溫度高），繁，環(huán)境溫度高），1500h 三、有色配光鏡多有塑料構(gòu)三、有色配光鏡多有塑料構(gòu)成，陽光照射下褪色。成，陽光照射下褪色。 四、是白熾燈功率通常為四、是白熾燈功率通常為100150W，耗電量太，耗電量太 LED交通信號燈的結(jié)構(gòu)交通信號燈的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)信號燈比，LED交通信號燈不必再需要反射器和有色配光鏡。LED用透鏡用透鏡作為準直光學組件，例如用凸透鏡或菲涅耳透鏡產(chǎn)生平行光束，然后用