LED照明光学系统设计.ppt

第七章 LED照明光学系统设计,7.1 LED照明光学系统设计CAD软件7.2 LED照明光学系统的设计原理7.3 LED照明数据与计算7.2 LED照明光学系统的选择7.3 LED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。,7.1 LED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:,7.1 LED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。,7.1 LED照明光学系统设计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,7.1 LED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。,7.1 LED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。,7.1 LED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，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。,7.2 LED照明光学系统的设计原理,1.LED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。,7.2 LED照明光学系统的设计原理,1.LED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、点列图或光学传递函数对系统的成像质量进行评价。,7.2 LED照明光学系统的设计原理,1.LED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。,7.2 LED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。,7.2 LED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。,7.2 LED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 光线在LED照明光学系统内的传播遵循几何光学的反射定律和折射定律。根据光线在光学系统内的传播方式的不同，通常光线追迹分为两类：序列光线追迹非序列光线追迹,7.2 LED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（1）.序列光线追迹 序列光线追迹主要应用于成像光学系统，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。,7.2 LED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（1）.序列光线追迹 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。,7.2 LED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（1）.序列光线追迹 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。,7.2 LED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（2）.非序列光线追迹 非序列光线追迹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。,7.2 LED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（2）.非序列光线追迹 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。,7.2 LED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（2）.非序列光线追迹 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。,7.2 LED照明光学系统的设计原理,3.LED照明光学系统设计原理（1）光源设计方法 在照明光学系统中引入计算机模拟，光源可以用光线数量(单位立体角内)、光线长度、光线方向矢量和光线与光轴的夹角来表示。,7.2 LED照明光学系统的设计原理,3.LED照明光学系统设计方法（2）光学系统设计方法 光学系统用来重新分配光源光通量在空间的分布，光源发出的光线通过光学系统后在照明平面上产生特定分布。照明光学系统由于对像差要求不高，所以一般只需校正球差，一般把最后一个面设计成非球面，来减少和校正系统球差。,7.2 LED照明光学系统的设计原理,3.LED照明光学系统设计方法（3）照明平面设计方法 用户对照明平面提出一定的要求，设计者通过光源的选定和光学系统的设计来达到要求。这是一个反复比较、反复修改的过程，计算光源发出的光线通过光学系统后在目标面上产生的照度分布，然后与用户要求的照度分布相对照，根据比较结果来修改光学系统。,7.2 LED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，结合照明设计软件ASAP，一般按下面的步骤来进行LED照明的设计:(1)确定LED光源数目，设计LED光源形状;(2)加反射器或折射器，放置光源在合适的位置;(3)进行照明计算，包括被照面上光照度的计算，空间各点光强的计算和总的光通量的计算等;,7.2 LED照明光学系统的设计原理,3.LED照明光学系统设计的步骤(4)检查灯具的配光中的各项参数是否满足预定要求;(5)如未达到设计要求，针对配光曲线中尚未满足的部分，再次进行计算，反复修改。软件可以帮助设计人员节省时间，使设计工作更加精确、完整，表达方式更加直观，产品更加美观，节省投资。,7.3 LED照明数据与计算,LED照明光学系统设计的主要任务之一是选择具有合适光分布的照明器并进行合理的布置，以使得照明场所获得符合要求的亮度分布。实际的照明装置包含许多照明器的反射表面，光的传递过程是相当复杂的，所以需要进行比较复杂的计算才能确定场所的亮度分布。,7.3 LED照明数据与计算,由于照度的计算和测量比较容易，现行照明标准也用照度值来规定工作面的照明数值，而且当被照表面的反射特性一定，特别是在大多数场合下这种反射是一种漫反射时，其亮度取决于单位面积入射光通量即照度。所以在设计中，照明计算主要是包括两个方面:,7.3 LED照明数据与计算,一个是照度的计算，只在一些特殊的场合下需要计算某些表面的亮度，以检验照明环境的照明质量;另外一个是光通量的计算，通过分别计算LED灯具的光通量和LDE光源的光通量来合理布置LED的位置、确定LED的个数，合理的添加光学器件，从而满足不同的照明需要。,7.3 LED照明数据与计算,一.计算照明系统在被照面上产生的照度 照度的计算方法通常有:利用系数法、概算曲线法、比率法、逐点计算法。,7.3 LED照明数据与计算,一.计算照明系统在被照面上产生的照度 逐点计算法是指逐一计算照明器对照度计算点的点照度，然后进行叠加，得到其总照度的计算方法。所谓点照度就是入射到包含这点的面元上的光通量与该面元面积之比，点照度计算即计算照明装置向某一计算点发射的光通量。,7.3 LED照明数据与计算,一.计算照明系统在被照面上产生的照度 逐点计算法的特点是准确度高，可以用来计算任何指定点的照度，一般适用于局部照明、采用直射光照明器的照明、特殊倾斜面的照明和其他需要准确计算照度的场合。,7.3 LED照明数据与计算,一.计算照明系统在被照面上产生的照度 由于逐点计算法可计算任一倾斜面上的照度，且只计算光源的直射照度(不含反射光通引起的照度)，适用于带反射罩的灯具，而一般的LED照明器都具有反射罩，因此在LED的照明设计中，通常采用的是逐点计算法。,7.3 LED照明数据与计算,一.计算照明系统在被照面上产生的照度 点照度计算能比较精确的计算被照面某点的照度，一般用于验算工作点的照度和工作面照度分布的均匀度。一般当光源的最大尺寸不超过光源至被照平面间的最小距离的五分之一时，就可以将此光源看作点光源。在LED照明计算中，一般将LED照明器视为点光源来计算。,7.3 LED照明数据与计算,一.计算照明系统在被照面上产生的照度1.点光源直射照度计算(1)单个点光源 点光源产生的点照度的基本计算公式，可由下面两个照度定律导出。这两个定律是光度测量和照度计算的基础。,7.3 LED照明数据与计算,a.距离平方反比定律 点光源S在指向平面N(与入射光线垂直的平面)上P点的方向上光强为I，光源到P点的距离为l，投射到包括P点的指向平面上的面元上的光通量为:,7.3 LED照明数据与计算,a.距离平方反比定律 因面元dAn很小，可以把它看成是以点光源为球心的球面积的一部分，所以立体角d如可由下式确定:,7.3 LED照明数据与计算,a.距离平方反比定律 根据照度的定义，光源在指向平面上P点产生的照度En为:距离平方反比定律说明，点光源在与照射方向垂直的平面上产生的照度与光源至被照面的距离的平方成反比。,7.3 LED照明数据与计算,b.余弦定律 如果图中的P点在水平面H上，则P点的照度为:l光源至照度计算点的距离。I光源在照度计算点方向的发光强度;cos 光源至照度计算点的连线与光源至照度计算平面的垂线之间夹角的余弦:,7.3 LED照明数据与计算,c.余弦立方定律 右图中，对于水平面 结合 可以得到：,7.3 LED照明数据与计算,(2)多个点光源 因为实际上一般的照明光源并不存在相干的问题，因此当有n个点光源同时照射工作面时候，n个点光源产生的照度等于每一光源分别产生的照度的总和。总照度可用下式表示:,7.3 LED照明数据与计算,(2)多个点光源In光源在照度计算点方向的发光强度;n光源至照度计算点的连线与光源至照度计算平面的垂线之间夹角的余弦:ln光源至照度计算点的距离。,7.3 LED照明数据与计算,（3）.平均平面照度 当照明器分布比较均匀，在被照面上各点产生的照度比较均匀时，平均照度能表征工作面上照明的数量和质量。此时，照明设计可以采用比较简单的平均照度计算法而使得计算简化。平均照度计算通常采用所谓“流明法”。这个方法是计算落到工作面上的总光通量除以被照面的面积。,7.3 LED照明数据与计算,2.非平面照度（1）平均球面照度 在照明设计中，照明质量的主要指标之一照度水平通常指平面照度。但是，当评价照明质量时，人们发现在相同的照度水平下，当光线来自不同的方向时会有非常不同的照明效果，仅仅考虑平面照度是远远不够的。所以用平均球面照度和平均柱面照度来表现被照物体的立体感。平均球面照度表示位于受测点处一个无限小的球面上的平均照度。,7.3 LED照明数据与计算,2.非平面照度（1）平均球面照度 右图中，在受测点处取一半径为r的球面，若光源S垂直于小球直径截面方向的光强为I，则P点的平均球面照度E可用下式表示:,7.3 LED照明数据与计算,2.非平面照度（1）平均球面照度Es:平均球面照度，单位为lx;I:点光源的光强，单位为cd;:点光源的光通量;A:球体的截面面积;r:球体半径;d:光源至计算点的距离。,7.3 LED照明数据与计算,2.非平面照度（1）平均球面照度 上式说明了E与测量球的大小无关，只与光源的光强I成正比，与光源到被测点的距离的平方成反比。,7.3 LED照明数据与计算,2.非平面照度（2）平均柱面照度 平均柱面照度是指位于空间某点处的一个小圆柱体测表面上的平均照度，它表示位于空间某点处的垂直面照度。,7.3 LED照明数据与计算,2.非平面照度（2）平均柱面照度 如右图所示，点光源S在圆柱体侧面计算点P处的平均柱面照度可由下面公式计算:,7.3 LED照明数据与计算,2.非平面照度（2）平均柱面照度E：平均柱面照度，单位为1x；I：点光源的光强;：点光源的光通量;A：柱体侧面表面积;r：柱体半径;H：柱体高度;l：光源至计算点的距离。：点光源光强方向和柱体轴线的夹角;,7.3 LED照明数据与计算,2.非平面照度（2）平均柱面照度 平均柱面照度的大小与所取的圆柱体的表面积无关，只与光源的光强I、以及光强与垂直圆柱体的轴线直角的夹角的正弦成正比，与光源到计算点之间的距离平方成反比。,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法 为了确定LED光源个数和LED的位置，必须通过有效计算LED照明器总的光通量。LED照明器光通量一般的计算方法有：光强计算法；环带分割法；V-H系统法。,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法1.光强计算法 考虑将LED灯具设置于球心，如右图所示，对着球心的立体角可以用纬度角与(+d)之间所界定的环带表示为:,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法1.光强计算法 那么从1到2典环带中出射的光通量为:I：该环带内的平均光强;C：环带系数。,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法1.光强计算法（1）平均光强可以从光强球带内的光强平均值可由光强分布曲线，如下图来估计。,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法1.光强计算法（2）也可以根据函数平均值定理直接计算，得到在从1到2的球带内的光强平均值:基于此，可以有下面两种计算灯具光通量的方法:,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法a.环带系数法,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法b.罗素角法 环带系数法中，m个环带有相同的角宽度，但与球心相对应的立体角是不相同的。如果选择不同角宽度的环带而立体角相等的话，灯具发出的总光通量就等于该立体角乘以不同环带中的光强值的总和。这种与等立体角相对应的环带中心与铅垂线的夹角，称为罗素角。,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法b.罗素角法,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法2.环带分割法 我国照明设计遵循国家颁布的工业企业照明设计标准进行照度计算，而照度计算主要依据是灯具的配光曲线即光强分布曲线。但以LED为光源的新的灯具在没有配光提供的状况下，可以通过环带法来得到灯具的配光曲线。,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法2.环带分割法 环带法是在球带法的基础上发展、演变、推导出来的一种简易、方便、实用的计算方法。,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法2.环带分割法 环带法的具体作法是将灯具固定，让其光线投射到被照面上，被照面被划分为不同半径的若干小环带，将每个小环带的面积乘以该面积上测得的平均照度值，即为该面积上的光通量，各个小环带面积上的光通量相加，即为该灯具所照射的总光通量。,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法2.环带分割法 如右图，灯具固定悬挂在距离被照平面高度为高H的位置上，根据不同的中心角1,2,n，将被照平面分为对应半径为R1,R2,Rn的不同环带。,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法2.环带分割法 各环带面积分比为S1，S2，Sn，对应各环带所测平均照度分别为Erp1，Erp2,Erpn。各环带的光通量分别为：,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法2.环带分割法,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法3.V-H系统法 对于泛光照明器，使用最广泛的是V-H系统，如右图。角V是通过照明器轴的平面间的夹角，角H在上述平面中计算。,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法3.V-H系统法 泛光照明应用于某处场景或某个物体的照明，通常通过投光灯来实现，目的是大量增加其相对于周围环境的照度。投光灯是利用反射和折射方法增加在有限立体角度内光强的一种灯具，专为泛光照明而设计的投光灯，通常可以被指向任何方向。,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法3.V-H系统法 所以对于泛光灯光分布的要求一般体现为V-H系统内光强的分布，例如下表所示。,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法3.V-H系统法,7.3 LED照明数据与计算,二.LED照明器光通量的计算方法3.V-H系统法 则总的光通量可以按照下式估算：,7.3 LED照明数据与计算,二.LED光通量的计算 通常采用如下的带状常数积分法来计算单芯片LED的光通量:m表示在垂直光轴方向的球带等分数，n表示光轴方向球带等分数，一般情况下取m=n=72;=mid表示某一水平环带中点所对应的和光轴方向的夹角,7.3 LED照明数据与计算,二.LED光通量的计算 mid表示某可以根据右图所示的方法得到：,7.3 LED照明数据与计算,二.LED光通量的计算 将这些算法经过计算机编程后，在LED照明设计中可以更有效、方便的进行照度计算、LED照明器光通量的计算和LED光源的设计，结合照明设计软件可以更快速方便的进行LED应用于照明的设计。,7.4 LED照明光学系统的选择,LED的光学系统设计指把封装后的LED做为光源，附加光学器件来达到照明或者显示的要求。一般附加的光学元件可以分为发散光学器件和聚光光学器件。,7.4 LED照明光学系统的选择,发散光学器件是用来扩散光束角度，常用的发散光学器件有：比如枕型透镜、齿形折光板、梯形折光板、柱形折光板等。,7.4 LED照明光学系统的选择,聚光光学器件一般用来将入射光变为平行的出射光，再经发散光学器件后达到设计要求，常用的这类光学器件：可以是透镜；也可以是反射镜。,7.4 LED照明光学系统的选择,一、透镜：透镜的作用是使得光源发出的光线汇聚或者发散，从而起到改变光束角度，改变照明面积和光照度的作用，在实际的适用中，通常通过改变光源到镜头的距离来控制光束的发散角。透镜一般有：平凸透镜、平凹透镜、菲涅尔透镜三种。,7.4 LED照明光学系统的选择,一、透镜：透镜通过折射原理来对光束起会聚或者发散作用，从而改变光通量的空间分布即光强的分布。透镜的焦距计算公式如下式所示:其中n表示透镜的折射率，f为透镜的焦距，R1，R2分别表示透镜两个面的曲率半径；T表示透镜的厚度。,7.4 LED照明光学系统的选择,一、透镜：（1）对于薄透镜 则焦距计算公式为:,7.4 LED照明光学系统的选择,一、透镜：（2）对于平凸透镜 R1=0，则焦距计算公式为:,7.4 LED照明光学系统的选择,一、透镜：（2）对于平凸透镜 在n己知情况下，根据光源入射光束的半角宽度和照明要求，在折射原理nsin(1)=sin(2)的基础上，通过改变R2来改变f，从而设计相应的透镜，其中1为透镜入射角，2透镜出射角，n为透镜的折射率。,7.4 LED照明光学系统的选择,二、反射镜 反射镜一般有球面反射镜和非球面反射镜。非球面反射镜通常为旋转二次曲面，如:抛物面、椭球面和双曲面，其光路如下图。,7.4 LED照明光学系统的选择,二、反射镜 不同的反射镜有不同的特性:抛物面反射镜把焦点F处发出的光线变为平行光;椭球反射面把左焦点F1处发出的光线会聚于右焦点F2处;双曲面反射镜把左焦点处的光源成像到右焦点，相当于光线由右焦点发出，起到改变光源发散角的作用。,7.4 LED照明光学系统的选择,二、反射镜 非球面反射镜与透镜在原理上大不相同，透镜用折射原理，反射镜用反射或全反射原理，尽管表面上能改变光源的光束角，但是所包含的孔径角差别很大。由于材料的折射率有限，透镜的孔径角比较小，通常在40o以下，而非球面反射镜的孔径角却可以达到130o以上。孔径角的大小表示收集光线的能力，也就是说非球面反射镜的集光能力较强，透镜则比较弱。,7.5 LED矿灯设计,现在矿工使用的传统的矿灯一般是酸碱灯，酸碱矿灯温度高，易产生电火花，而LED矿灯用的冷光源，从根北上杜绝安全隐患。其次是轻便，此前普遍身用的酸碱矿灯包括镀灯盒总重量为0.7公斤，并有一根电缆连接，不方便，而LED灯总重量很小，且电池、电缆均在帽子里，减轻了矿工的头部负重。酸碱灯硫酸易溢出烧坏皮肤，铿电池则不存在这个问题，此外，这种灯还节电，符合环保要求。,7.5 LED矿灯设计,1.LED矿灯设计基础 单只LED的光能量小，亮度低，为了达到户外照明的要求，一个简单的方法是由多个发光二极管组合在一起形成点光源、面光源或者体光源。一般LDE主要包括几个部分，LED发光芯片，反光杯，连接正负极的引线框和环氧封装。,7.5 LED矿灯设计,1.LED矿灯设计基础 所以单个LED的发光状态即光束角度取决于三方面:LED芯片的大小和位置;反光杯的形状;环氧封装的形状。根据单个LED的设计思想，一般多芯片LED照明工具由三部分组成:LED组合光源、透镜、反射镜。,7.5 LED矿灯设计,1.LED矿灯设计基础 影响系统发光效果的主要因素有:芯片的个数以及放置的位置、透镜和反射镜的形状、特性和位置。与单个LED不同的是本系统 的芯片并非放置在反光碗内，而 是把四个LED芯片放置在环氧树 脂平凸透镜内，如右图所示。,7.5 LED矿灯设计,1.LED矿灯设计基础 上图中2表示的是其中两个芯片的位置，另外两个芯片放置在立方体另外两个对应面上，整个发光体放置在抛物面反射镜内，如下图所示。,7.5 LED矿灯设计,1.LED矿灯设计基础 环氧树脂起到保护四个芯片和集光棱镜的作用，决定了光源的形状。LED芯片距离环氧树脂透镜的前端越近，出射光束的角度越大。可以通过改变树脂棱镜的焦距，棱镜的位置来得到不同的发光曲线，满足不同的照明要求。,7.5 LED矿灯设计,1.LED矿灯设计基础 设计中采用抛物面反射镜，f表示抛物面的焦距，r表示抛物面的焦点到反射面的矢径，为对应的半孔径角。,7.5 LED矿灯设计,1.LED矿灯设计基础 根据不同的集光需要，可通过改变焦距f和相应的半孔径角来设置反射镜。其学表达式如下式所示:,7.5 LED矿灯设计,2.出射光束角为220的设计 设计中反射杯直径为35mm，杯深为18mm。在ASAP中分别对加反射杯前和加反射杯后两种情况进行蒙特卡罗追迹，如下图所示。,7.5 LED矿灯设计,2.出射光束角为220的设计 下图为在ASAP中模拟得到的光通量分布曲线，表示90%的光通量分布在以光轴为中心，顶角为220的圆锥体内。,7.5 LED矿灯设计,2.出射光束角为220的设计 根据追迹结果模拟出被照面上的相对光强分布曲线，如下图所示，虚线表示对该照明器件实际测得的相对光强分布曲线，两条曲线基本吻合。由模拟曲线可以得出本设计的 半强度角约为220，实际测得的 约200。,7.5 LED矿灯设计,2.出射光束角为220的设计 对于一般的照明器件，其光度数据通常需以照度分布的形式在离开照明器较远的指定平面上体现出来。根据实际测得的光强，利用逐点计算法计算得到被照面上的相对光照度分布曲线如下图中虚线所示，在ASAP中模拟得到的相同条件下被照面上的相对光照度分布曲线如下图实线所示。,7.5 LED矿灯设计,2.出射光束角为220的设计 虚线逐点计算法计算得到被照面上的相对光照度分布曲线实线在ASAP中模拟得到的相同条件下被照面上的相对光照 度分布曲线,7.5 LED矿灯设计,3.出射光为平行光的设计 为了使光线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、球面凸透镜焦距、圆柱形透镜、光源位置等参数。修改后的反射杯直径为50mm，杯深mm。在ASAP中对加反射杯前后两种情况重新进行光线追迹，追迹结果如下图所示。,7.5 LED矿灯设计,3.出射光为平行光的设计,7.5 LED矿灯设计,3.出射光为平行光的设计 修改后的系统相对光强分布曲线如下图所示，半强度角约为30，表示光线基本以平行光出射。,7.5 LED矿灯设计,3.出射光为平行光的设计 相对光照度分布曲线如下图所示，修改后的系统照度分布相对更加均匀和集中，中心照度相对集中，周围照度逐渐减小。,7.5 LED矿灯设计,3.出射光为平行光的设计 由以上分析结果可以看出，在一般照明设计的理论基础上，通过定义光强分布和发光体几何形状在ASAP中模拟光源，通过大量光线的蒙特卡罗追迹结果可以得到光强、光通量和光照度等相关的分布曲线。,7.5 LED矿灯设计,3.出射光为平行光的设计 通过改变设计的参数，例如凸透镜的焦距、反光碗的焦距和位置、光源放置的位置等来达到设计要求，即在制作原型系统或者大批量生产前做光学系统的仿真，使设计人员可以更直观快速的看到设计结果，从而缩短了产品市场化的时间，同时减少了材料的浪费。,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,由于LED直接将电能转化为可见光，无热辐射，效率高，光谱几乎全部集中于可见光波段，无紫外辐射，而且其寿命长、安全环保，因此属于典型的绿色光源。LED应用于博物馆文物展示照明时，还要考虑到光源发出的紫外辐射或者红外热辐射可能会对文物造成不同程度的损害。,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,白光LED光谱分布在可见光范围380780nm波段内的相对光强比较大，在紫外和红外波段相对光强很小，基本处于截止区域。由此可知白光LED照明辐射危害较小，更适用于博物馆文物展示照明。基于此，这里设计一种白色LED环形光源的照明系统。,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,1.基本的设计思想(1)光通量守恒 为了更清楚的表达设计的基本思路，假设光源为扩展光源，博物馆所展示文物形状为圆柱体，被照面为圆柱体的侧面，光线经由反射镜到被照面上。,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,1.基本的设计思想(1)光通量守恒 假定圆柱体底面所在平面为xy平面，右图为整个系统在xz平面的投影图，其中圆柱体高H，底面半径为rC，光源的内径为rin，外径为rout。,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,1.基本的设计思想(1)光通量守恒,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,1.基本的设计思想(2)反射定律,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,1.基本的设计思想(2)反射定律 当应用于博物馆照明时候，反光镜上被镀上半透半反膜，如果遵循光通量守恒，光源发出的光线经过反射镜后一半的光线被反射到圆柱体侧面，圆柱体侧面上接收到的光通量应该等于光源发出的总的光通量的一半，因此，式(5一10)中的:,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,2.系统的计算机模拟 在光学软件ASAP中对整个系统进行模拟分析。光源采用白光LED环形光源，共有12个白光LED环状排列，每个LED的半强度角为30，属于高指向性白光LED，型号为T-1(3/4)，封装形式为环氧封装。经平凸透镜会聚为平行光束，下图所示为光源在xy平面上的投影分布图。,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,2.系统的计算机模拟,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,2.系统的计算机模拟 假定圆柱体底面中心为坐标轴原点，为了方便计算，取环形体外半径rout=1.5cm，内半径rin=0.5cm，圆柱体半径rc=0.3cm，高度为H=0.66cm，则计算得到:A=0.165，B=0.25，C=0.3。,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,2.系统的计算机模拟 通过计算机编程可以从方程 得到一系列的对应于不同的x的z和Z值，在光学软件ASAP中模拟出旋转对称的反射镜面和圆柱体，并进行光线追迹，追迹图形在xz平面的分布如下图所示。,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,2.系统的计算机模拟 在ASAP中进行蒙特卡罗光线追迹时，设定光源发出28004条光线，并使得其光通量归一化为1，追迹数据显示约14096条光线经过反射镜到达圆柱体侧面，光通量约为0.5，表明光源发出的光线经过反射镜后一半的光线几乎全部被反射到圆柱体侧面上，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 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,2.系统的计算机模拟 将光源放置在距离圆柱体底端足够远处，选取11条光线进行追迹。,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,2.系统的计算机模拟 从下表的追迹结果可以看出11条光线经过反射镜后遵循反射定律，均匀的分布在圆柱体侧面。,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,2.系统的计算机模拟 下图为圆柱体侧面上光照度的分布,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,2.系统的计算机模拟 下图为圆柱体侧面上光通量的分布，可以看到90%的光通量均匀的分布在圆柱体侧面上。,7.6 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统,2.系统的计算机模拟 对于博物馆中展示的不同的文物，根据形状的不同由 计算得到相应的A，B，C值，可以在ASAP软件中模拟出相应的反射镜曲面;另外通过调整LED的个数、位置和发散角，同样可以改变整个系统的光线分布，从而在被照射物体上得到不同的照度分布，满足不同的照明要求。,7.7 白光LED射灯设计,射灯在灯饰分类中属于定向投射灯。是一种局部照明灯具，亮度非常高，显色性优，控制配光非常容易，点光、光泽、阴影和材质感的表现力非常强。特定视觉工作用的、为照亮某个局部而设置的照明称为局部照明。局部照明只能照射有限面积，对于局部地点需要高照度并对照射方向有要求时，可装设局部照明。,7.7 白光LED射灯设计,对于因一般照明受到遮挡或需要克服工作区及其附近的光幕反射时，也宜采用局部照明，具体在下列情况下宜采用LED射灯:(1)局部需要有较高的照度(2)由于遮挡而使一般照明照射不到的某些范围(3)视觉功能降低的人需要有较高的亮度(4)需要减少工作区的反射眩光(5)需加强某一方向的光照，以增强质感,7.7 白光LED射灯设计,1.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。,7.7 白光LED射灯设计,1.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，半径为3.5mm，封装后总的透光率约为90%。,7.7 白光LED射灯设计,1.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。,7.7 白光LED射灯设计,1.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，因而能产生舒适的照明。,7.7 白光LED射灯设计,1.白光LED射灯设计 椭球面反射型射灯如下图所示。,7.7 白光LED射灯设计,1.白光LED射灯设计,7.7 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。,7.7 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。,7.7 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。,7.7 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。,7.7 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%分布在下半球，光线集中在工作面上，空间环境有适当照度比，直接型眩光小，同时可以在被照面上得到很好的照明均匀度。,7.7 白光LED射灯设计,2.白光LED射灯特性参数,7.7 白光LED射灯设计,2.白光LED射灯特性参数 从上图可以得出工作面上最小照度与最大照度之比约为0.34，即最低均匀度为0.34。按照照明标准规定符合工作面允许的照明最低均匀度可达0.50.3，所以此白光LED射灯满足被照面上的要求;平均均匀度是最小照度与平均照度之比，