LED照明灯具与光学系统设计

第七章LED照明光学系统设计7.1LED照明光学系统设计CAD软件7.2LED照明光学系统的设计原理7.3LED照明数据与计算7.2LED照明光学系统的选择7.3LED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。§7.1LED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:§7.1LED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。§7.1LED照明光学系统设计CAD软件1.TarceProTarcePro是LambdaResearch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§7.1LED照明光学系统设计CAD软件2.AASPASAP是BreaultResearchorganization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。§7.1LED照明光学系统设计CAD软件3.LighttoolsLighttools是opticalResearchAssociates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。§7.1LED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。§7.2LED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。§7.2LED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。§7.2LED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。§7.2LED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。§7.2LED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。§7.2LED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§7.2LED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opticalResearchAssociates研制的大型光学软件CODEV。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。§7.2LED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。§7.2LED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。§7.2LED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。§7.2LED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。§7.2LED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(MonteCarlo)方法来模拟。§7.2LED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。§7.2LED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。§7.2LED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。§7.2LED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;§7.2LED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。§7.3LED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。§7.3LED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:§7.3LED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。§7.3LED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。§7.3LED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。§7.3LED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。§7.3LED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。§7.3LED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。§7.3LED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。§7.3LED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Iθ，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:§7.3LED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dω如可由下式确定:§7.3LED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。§7.3LED照明