光学设计 第14讲 LED灯具光学

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,灯具光学设计基础,五邑大学 应用物理与材料学院,灯具光学设计,1,、,室内照明灯具光学系统,2,、室外照明，,LED,路灯,3,、汽车照明,4,、交通信号灯,5,、,手机应用灯具光学系统,6,、,LED,景观照明,6,、显示屏,室内照明灯具光学系统,LED,日光管系列,LED,球泡灯系列,LED,射灯系列,LED,筒灯系列,LED,天花灯系列,LED,面板灯系列,日光灯,光扩罩透光率达到,92%,，一般产品只能达到,85%,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性的灯具，一般是用于普通照明或辅助照明。,LED,道路照明,2008,年,12,月，科技部高新司提出了开展,“十城万盏”,LED,应用试点示范城市,。,1,、十城万盏,经济效益：,环境效应,2,、,LED,道路照明基础,目的：,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觉条件,道路照明现状,高压钠灯和金属卤化物灯,缺 点：,灯具直接照射的方向上照度高，存在过度照明的现象,此类灯具反射器的效率仅为：,50-60%,，总体效率低，不超过,70%,3,、道路照明的质量评价,1,）路面平均亮度：,2,）路面亮度均匀性：最小亮度,/,平均亮度,3,）眩光控制水平,:,4,）环境照明系数,:,环境亮度对驾驶员的影响,5,）视觉引导性：,1,）亮度,光源在单位面积上的发光强度,亮度均匀性：,亮度均匀性：,纵向亮度均匀性：,2,）眩光控制,失能眩光,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,不同等级道路照明标准,等级,所有道路,较小交叉路口的道路,带人行道的道路,平均路面亮度,整体均匀度,车道平均亮度,环境照明系数,M1,2,0.4,0.7,0.5,M2,1.5,0.4,0.7,0.5,M3,1,0.4,0.5,0.5,M4,0.75,0.4,-,-,M5,0.5,0.4,-,-,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/m,2,),总均匀度,纵向,均匀度,平均照度,E,av,(lx,),均匀度,快速路、主干路,1.5/2.0,0.4,0.7,20/30,0.4,10,0.5,次干路,0.75/1.0,0.4,0.5,10/15,0.35,10,0.5,支路,0.5/0.75,0.4,8/10,0.3,15,机动车交通道路照明标准值,我国道路照明标准,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,30/50,0.4,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,夜间行人流量,区域,路面平均照度（,lx,）,路面最小照度（,lx,）,最小垂直照度（,lx,）,流量大的道路,商业区,20,7.5,4,居住区,10,3,2,流量中的道路,商业区,15,5,3,居住区,7.5,1.5,1.5,流量小的道路,商业区,10,3,2,居住区,5,1,1,节能指标,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/m,2,距离,/m,亮度,Cd/m,2,距离,/m,亮度,Cd/m,2,80,40,80,40,80-46,40,46-4.5,60,25,50,30,50-30,30,30-2.3,40,15,30,20,30-20,20,20-1.5,20,及以下,1,1.0,1.0,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,1,）光效高、能耗低,2,）瞬时启动,3,）寿命长,4,）显色性好,5,）便于光学设计,6,）便于调光控制,7,）总成比低,LED,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,75,12,50000,5.54,0,5.54,27.7,高压钠灯路灯,190,30.4,5000,17,1.6,22.6,113,2.4Km,长的道路，宽,9m,，使用,8m,高的路灯照明，共,160,个路灯，,150W,高压钠灯和,60W LED,路灯照明。安装初始成本：,LED,：,51.2,万元，钠灯：,9.6,万元,5,、,LED,道路照明配光,配光分布：,一次光学,+,二次光学,多颗,LED,均匀排列，再在此基础上配光,将,LED,分成几个模块，每个模块以一定的角度组合,单个,LED,上配二次光学透镜或者反光杯,现有,LED,路灯问题,2009,年深圳市对,27,家企业,27,个型号的,LED,路灯进行了测试。,在,27,盏,LED,路灯中，在,平均照度,方面，大约有,93%,的产品达到,城市道路照明标准,对,次干路的要求,，而所有路灯均未达到主干路的标准；另外，在,照度总均匀度,方面，只有,22%,的,LED,路灯达到了道路照明对主次干道的要求。,从上述测试可以看出，现有的国内,LED,路灯只能初步满足,道路照明标准对次干道的要求,，离符合主干道的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：,结合,边缘光线原理及曲面控制网格的节点法线矢量的匹配法,，使配光曲线呈蝙蝠翼分布，符合道路照明标准。,一次光学透镜做配光：,随着封装技术和精密注塑成型技术的进步，,用来配光的二次光学和,LED,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。,透镜的模块化,：也是将是配光技术的一种趋势，,容易组装成不同功率的,LED,路灯,；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，避免了玻璃灯罩所附加的菲涅尔损耗,。,LED,路灯设计及趋势,LED,汽车照明,1,、背景,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：,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,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,光学设计,LED,近光灯的光型是通过,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（,CPC,）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,CPC,反射面由二维的轮廓曲线绕对称轴旋转而成。,CPC,的入口直径,d,1,、出口直径,d,2,及最大入射角,max,如图所示,。其中，,d,2,=2a,；,d,1,和,d,2,与,sin,max,之间的关系为：,CPC,的光线分析如图所示。从此图可以得出，,只要光线的偏折角在,max,以内，都可以经过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,max,。的光线，收集能量的效率是最高的。,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,LED,汽车灯具设计中的作用,现在,LED,已经成功地应用在汽车信号灯上。,如果将光源放在,CPC,的出射口，根据光路的可逆原理，光源发出的光线经过反射，必然从入射口出射，并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次反射，因此这种,CPC,的光线利用率高于所有其他类型的聚光器,。,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：,12200cd,CRC,对,LED,的聚光效果,CRC,聚光角为,30,度,朗伯光源（聚光后）光强最大值为：,12200cd,CRC,聚光角为,30,度,CRC,聚光角为,15,度,朗伯光源（聚光后）光强最大值为：,106000cd,五、,LED,显示屏中的光学设计,LED,显示屏,LED,显示屏的分类,颜色显示,LED,显示屏的结构,虚拟像素技术,农业中的应用,1,、,LED,显示屏的分类,单基色,LED,显示屏,双基色,LED,显示屏,室内双基色,LED,显示屏,全彩色（三基色）,LED,显示屏,颜色的表示,: C=X(X)+Y(Y)+Z(Z),三原色：,R,红色（,X,）：,700nm,G,绿色（,Y,）：,546.1nm,B,蓝色（,Z,）：,435.8nm,2,、颜色显示,全彩,LED,显示屏彩色形成的原理,用电流大小将单个二极管的颜色分成,256,个等级，总的颜色数：,16777216,种颜色,。,真彩屏的条件,1,、 三种颜色的发光二极管能够混合出白色,三基色亮度要求：,R:G:B=1:6:3,2,、 三基色波长要求：正红，正绿，正蓝：,3,、,LED,显示屏的结构,2R,1G,1B,像素：,2R, 1G, 1B 1R,，,2G,，,1B,点间距：像素中心距离, P5-5mm,分辨率：,8032,最佳视距,显示屏,LED,模块,模组,LED,显示屏的构成,显示屏硬件组成,4,、虚拟像素技术,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（虚像素点）的技术，也就是,像素共享技术。,实像素显示管理,33,一共,9,个像素点，每个像素点独立显示信息,虚拟像素技术：像素点部分复用，但不相同,四场合成：,虚像素点数约为实像素点数的,4,倍,LED,灯具仿真设计,ASAP,的计算机仿真,几何体的构造,CAD,和,ASAP,自身指令库构造,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,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：,输出亮度,散热,光学设计,LED,本身的出光光形,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,一是由于反光碗的存在，导致假显示效应：入射阳光,+,有色透镜,+,反光器反射,=,点亮,二、寿命短，维护费用高：由于工作条件严酷（点亮频繁，环境温度高），,1500h,三、有色配光镜多有塑料构成，阳光照射下褪色。,四、是白炽灯功率通常为,100,150W,，耗电量太,LED,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,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,枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折,，产生满足要求的光分布。再外加,遮光罩,，如图,1,所示,配光分布,光通量计算,为第,i,个立体角区域内的光通量；,Ii,为第,i,个立体角区域内要求的（平均）光强；,H,和,V,分别为第,i,个立体角区域的水平角和垂直角的边界,实际上要满足标准要求的光分布，还需考虑透镜的透过率、溢出光损失等因素。因此，需要对进行修正，这样得到的才是实际要求光通量的估量值。,单颗,LED,光通量计算,Ij,为第,j,个环带区域内的平均光强，为第,j,个环带区域的边界。,平行光校正,光束水平方向扩散,在设计中采用透镜对平行光束进行扩散处理来满足标准的要求。将灯具外罩分割成矩形小单元多用来打碎光波的波面，有利于产生均匀的外观效果。在每个小单元中，采用柱面透镜使光束水平扩散，在确定单元宽度及要求的扩散角度之后，再确定柱面透镜的曲率半径,光束垂直方向扩散,楔形透镜,椭球面或者轮胎面,LED,交通信号灯优点,1,、耗电量小，节电效果明显，电光转换效率高,2,、寿命长，,3-5,年。传统,1,年,2-4,次,3,、高辨识度。单色性好。,4,、可靠性好，安全性好。,手机应用灯具光学系统,手机,LED,背光,按键背光,景观照明灯具光学系统,（,1,）,LED,地埋灯,（,2,）,LED,地砖灯、,LED,墙砖,2,线性发光灯具,（,1,）,LED,灯带,（,2,）,LED,彩虹管,(3) LED,柔性霓虹管,3,LED,护栏灯（管）,景观照明设计,选择合理的,LED,灯具,设计艺术化色彩变换方案,选择合适的亮度水平,