照明灯具与光学系统设计
灯具光学教学讲义PPT课件
将它与照度的平方反比定律结合起来就有 ：
E= I ·cosθ d2
2021
9
简单有效
c)余弦立方定律
光源
O
h
D
式中：I—点光源射向该点的光强；
h—光源离该平面的高度；
θ—平面法线与入射光线的夹角；
I
l— OA长度。
E θ
E= I · cosθ=I · cos3θ
l2
h2
A
2021
10
简单有效
适合路灯的分布光度系统
向 下 光 通 比: 63.0 %
灯 具 效 率:
63.0 %
最 大 距 高 比: A-A: 1.2 B-B: 1.7
2021
36
简单有效
CIE 分 类: 直 接
向 上 光 通 比: .0 %
向 下 光 通 比: 63.0 %
灯 具 效 率:
63.0 %
2021
37
简单有效
最 大 距 高 比: A-A: 1.2 B-B: 1.7
2021
48
简单有效
平均照度=光源光通量×灯具数量×CU ×维护系数 /长×宽 灯具数量=平均照度×长×宽/光源光通量× CU ×维护系数
2021
49
简单有效
维护系数（K）
维护系数是考虑由于光源光通衰减、灯具污染及老化所 引起的效率降低，以及被照场所建筑物内墙表面、顶棚、 地面的反射率下降等因素使照度降低所必须乘入的系数。
8 .31 .26 .23 .31 .26 .22 .30 .26 .22 .29 .25 .22 .29 .25 .22 .21 .131
9 .28 .23 .19 .28 .23 .19 .27 .22 .19 .26 .22 .19 .25 .22 .19 .18 .125
幕布照明灯具光学系统分析与设计
命 为（ ｏ ）显 色指 数很 高 （ ａ７～９ ） 而 且 发光 ２０ ０ｈ ， Ｒ９ ９， 效 率稳 定 ， 般 卤钨灯 寿 终 时 的光 通 量 为 初 始值 的 一 ９ ％ 一 ５ ， 温为初 始值 的 ９ ％ ～ ９ ０ ９％ 色 ６ ９ ％。
式 中： 卜一 表 示光源 横截 面上 的各方 向光强 。
功 率 的散 光 灯 ， 由单 头 灯 可 组 合 成 双 联 及 四联 灯 。
天 排灯 由上 向下 照射幕 布 ， 求 光亮 而 均衡 ， 要 照射 面
积 大 。地 排 灯放 在舞 台面上 ， 幕 布下 部 朝上 照射 ， 在 与 天排灯 照 射 的光 相 接 ， 证 整 个 幕 布上 下 照 度 均 保
３ 等 分灯 具张角 为 ６ ） ０份 ， 每个小 角度 为
：
１ 光 源
该 类灯 具 一 般 使 用 石 英 卤钨 灯 管 作 光源 ， 发 其
光效 率为 （ 一般 为 ２ ｎｗ） 色 温稳 定 （ ｏ ） 寿 ２ｌ ／ ， ｆ ３２ ０Ｋ ，
丽
（） ２
４ 计 算各 小角 度 内的直射 光通 ）
光学 系统 主要 是 由光 源 和反 光 器 组 成 ， 而反 光 器 是
， ０ —— 直 射表 面光强 。 ２ 确 定灯 具 的张角 ） 灯 具 张角 实 际 可 根据 设 计需 要 进 行 选取 ， 里 这
取灯 具张 角为 ， ６。 即 ０。
其 光学 系统 的核 心 部 件 。评 价 灯 具 的好 坏 ， 主要 看 其光 学 系统 的质 量 优 劣 ， 直 接 影 响 到 灯具 的光 效 它 高低 、 投光 效果 的好 坏 。
维普资讯
２０ ０ ６年 ９ 月
LED照明灯具与光学系统设计
LED照明灯具与光学系统设计LED照明技术陕西科技大学电气与信息工程学院王进军第七章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。
1. TarceProTarcePro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。
灯具光学设计在照明方面的应用
灯具光学系统设计在照明节能减排中的作用宋刚王建通用电气照明有限公司上海 201203摘要：本文主要根据照明应用场合的具体情况分析，在灯具光学设计时充分考虑CIE 关于绿色照明的理念和要求，首先选择短弧，高光通或高显色性和高流明维持率的光源，其次采用模块化设计全方位组合不同反射功能的反光罩和遮光罩，控制光的投射方向和光束形状，同时改善照明灯具控光材料的光学性能，提高灯具的光输出效率，降低灯具溢出光及偏射光，减小人工照明形成的天空杂散光，提高照明场合的照明水平和视觉舒适度，控制光污染，节省能源，降低照明成本。
关键词：光学设计（optics design）；照明灯具(luminaire)；绿色照明(green lighting)；溅射光(spill light)；一、引言灯具作为照明单位器件，从功能方面可划分为机械结构及安装系统、电器及照明控制系统和光学照明系统，这三者相互作用，相互依赖，相互交融组成一个完整的灯具。
其中灯具光学照明系统是实现灯具照明功能的终端执行部件，该系统主要包括光源和控光系统，它的工作最终体现灯具的使用性能。
“绿色照明”是一个针对照明场合的要求，它的科学定义为：通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品（电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材以及调光和控光器件），改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。
“绿色照明”是20世纪９０年代初期照明行业提出的一个全新方针，它的出发点是节约能源、保护环境。
实施绿色照明的宗旨是发展和推广高效照明器具，节约照明用电，建立优质、高效、经济、舒适、安全、有益的环境，绿色照明不仅要求节能，还要在满足对照明质量和视觉环境条件的要求下实现节能，因此不能单纯依靠降低照明标准来实现上述目的，而是要提高整个照明系统的节能能力，在同样的照明标准和照明质量下用通过更少的灯具和更低的功率消耗来实现。
LED汽车灯具结构设计及光学设计浅谈
LED汽车灯具结构设计及光学设计浅谈发表时间：2020-06-02T10:49:56.387Z 来源：《工程管理前沿》2020年第6卷3月6期作者：王宇[导读] 随着汽车电子技术的不断发展，汽车车灯种类不断增多。
摘要：随着汽车电子技术的不断发展，汽车车灯种类不断增多。
汽车车灯设计不仅要求具有照明功能，还要有装饰功能。
汽车大灯的基本功能还是照明，照明效果与配套装饰效果日益突出，不同类型的车辆配备不同的车灯照明。
LED是一种新型的半导体光源，其具有节能环保、响应时间短、颜色饱和度高等诸多优势，LED汽车前照灯在高端车型上应用具有很好的前景。
关键词：新型LED灯汽车灯设计 LED灯具是利用LED作为光源制造的照明器具，被誉为第四代照明灯具，LED照明灯具在汽车照明、商业照明等领域有了广泛的应用。
LED在车内照明、应急灯等方面的应用取得了显著成效，随着LED照明技术的快速发展，LED前照明技术的应用具有良好的普及前景。
对LED汽车灯的设计研究具有重要的意义。
1 汽车灯简介1.1 汽车灯的种类汽车的安全性能最终目的是保护驾驶员及车内人员安全，随着科技的发展，汽车灯已不仅是车辆的照明基础设施了，日间行车灯等设施的诞生使车辆的安全性得到了进一步的提升。
汽车灯主要种类包括组合前照灯、组合尾灯与牌照灯。
组合前照灯在车辆前部，前照灯发出的光可照亮车体前方道路，组合前照灯按光源不同分为卤钨灯、疝气灯。
组合尾灯在车辆后部，其主要作用其发出行车信号，后车灯由后尾灯、倒车灯、制动灯、后转向灯灯组成。
左右制动灯是后车灯的重要组成部分，制动灯是提示后车减速的灯，现在的制动灯一般为雾灯[1]。
高温制动灯安装在车尾上部，使后车易于发现车制动，其作用是警示后方车辆，避免发生追尾事故。
倒车灯在驾驶者挂上倒档时自动开启，其作用是夜间照明。
转向信号灯用以向行人及车辆表示车辆转向的灯具。
转向灯分为前后转向与侧转向。
1.2 LED汽车灯LED灯在汽车方面的应用非常丰富，常见的是刹车灯及转向灯，装配LED照明灯具的汽车价格呈现降低趋势，如比亚迪、上汽通用凯悦等车型后组灯广泛地应用LED光源。
照明光学设计基础知识
视见函数 • 把人眼对黄光的视觉灵敏度作为基准，其 它色光的视觉灵敏度与黄光的视觉灵敏度 相比，得出各种色光的相对视觉灵敏度， 称为视见函数，用V(λ)表示。 把人眼最灵敏波长（λ=555nm）的视见函数 规定为1，即V(555)=1 V(λ)≤1 不同人在不同观察条件下的视觉函数略有差 别
• 如图示是光强分布曲线，此图对应灯具示意图中 过原点yoz平面光强分布图 • 光强最大值为0.17cd • 光束角 θ 为120度。（光强半强所覆盖的范围）
• 做为照明工程设计人员应该知道亮度学和照度学 的分别为：前者是研究一个光源的发光特性，后 者为被照物体的光照特性；前者的物理量有光通 量（单位：lm）、发光强度（单位：cd描述点光 源）亮度（单位：cd/m2描述面光源）后者的物理 量为照度（单位：lux) • 辐射度学可作为了解。
S O
r
S 2 r
立体角单位：以锥顶为球心，以r为半径作
一圆球，若锥面在原球上所截出的面积等于r2， 则该立体角为一个“球面度”（sr）。
整个球面的面积为4π r2, 对于整个空间有
4r 2 4 r
2
即整个空间等于4 π球面度
• 立体角是平面角向三维空间的推广。在二 维空间，2π角度覆盖整个单位圆。 • 在三维空间， 4π的球面度立体角覆盖整个 单位球面。
按照反射定律在介面上全部被反射回原介质 对应于sin I ' 1的入射角 I 被称为临界角 记为 I m ,可知
n' sin I m n
全反射的两个条件： （1）光密到光疏介质； （2）入射角大于临界角； 全反射的应用：
（1）制成各种全反射棱镜，用于折转光路，代 替平面反射镜。 （2）制造光导纤维。 （3）照明光学中制造 全反射透镜。
高端灯光设计师之TracePro配光设计与应用
反光罩案例分析
反射器设计:
1、选择棱晶面来建模； 2、模拟设计的实体模型。以Tracepro配光设计软件来验证；
结 论: 完成轨道金卤射灯系列，G8.5光源10°、24°、40°反射器
10°反射器
24°反射器
40°反射器
同样打开Tracepro配光设计软件，导入光源资料，再插入上述所建的40 度反射器实体模型，调整到实际灯具中的相对位置上。点击光线追踪，待 光线追踪完成后，直接点击光斑效果图、极座标或直角坐标。如下图。
通过软件TRACEPRO ，可以得到灯具出光角度—通过灯具的3D模块 进行仿真就可以提前知道灯具的光束角。例如下图反光罩光束角为30 度。
获取灯具打到多远距离的光斑分布、照度分布图：
设计灯具时，根据软件仿真得到的配光图和照度图可判断灯具光学性 能。如果设计达不到预想目标，软件可提供修改方向：
通过照度分布光斑图-分析光斑每处的光线来源 以便提供修改参考。
长条形的光源
有两个对称平面的光强分布
反射设计原理
有一个对称面的柱 面反射器
长条形的光源
有一个对称平面的等光强分布
不对称反射器
旋转对称光源
有一个对称平面的等光强分布
反射器反光示意图
主反射器
球面反射器
M1
θ-α 2
R θ
α
{
M
FRO
2
反射器反光示意图
光源
像点
光源
反射器反光示意图
F2
F1
M1 M2
一：灯具光学讲议 二：配光设计工具——Tracepro 三：配光测试工具——分布光度计 四：配光设计实践与案例 五：反射器设计汇总
五：反射器设计汇总
反射器表面的纹理效果
汽车灯具的光学设计与照明效果优化
汽车灯具的光学设计与照明效果优化在现代社会，汽车已经成为了人们生活中不可或缺的交通工具。
然而，随着汽车行业的不断发展，人们对于汽车照明系统的要求也越来越高。
好的汽车灯具不仅要具备良好的照明效果，还要满足美观、节能等方面的需求。
因此，汽车灯具的光学设计与照明效果优化成为了汽车工程技术领域的热点研究课题。
一、汽车灯具的光学设计光学设计是汽车灯具研发中不可忽视的环节。
它通过优化灯光的反射、折射等物理过程，使得光线能更好地聚焦在道路或者是其他目标物上。
在汽车灯具的光学设计中，常用的方法包括反射法、折射法等。
1. 反射法反射法是一种常用的光学设计方法。
通过合理设计灯具的反射面曲线，可以实现光线的有效反射，提高灯具的照明效果。
在反射法中，不同材质的反射杯也会对光线的反射效果产生影响，因此，在灯具的光学设计中，选择合适的反射材料也是非常重要的。
2. 折射法折射法是通过光线经过灯具表面的折射来实现照明效果的。
灯具的折射率与灯具的照明效果密切相关。
较高的折射率可以使得光线更好地扩散，提高照明的均匀性。
在折射法中，设计合适的灯罩结构也是重要的一环，它能够使得光线朝着需要照明的目标物集中，减少能量损失。
二、照明效果优化除了光学设计外，照明效果的优化也是汽车灯具设计中非常重要的一个方面。
优化照明效果不仅可以提高驾驶者的视野，提升行车安全性，还可以提升汽车的外观美观度。
下面将从照明类型、灯具布局和照明亮度等三个方面介绍如何优化汽车灯具的照明效果。
1. 照明类型根据不同的用途，汽车灯具可以分为远光灯、近光灯、示宽灯、制动灯等。
不同类型的照明需要具备不同的特点。
例如，远光灯需要具备强大的照明能力，以满足在夜间行驶时的远距离照明需求；而近光灯则需要在保证照明效果的同时，不会对前方来车造成干扰。
因此，在汽车灯具的设计中，照明类型的选择与设计要素的协调是非常关键的。
2. 灯具布局灯具布局是指汽车上各个灯具的摆放位置以及数量。
合理的灯具布局可以使得汽车在不同场景下都能达到良好的照明效果。
照明光学设计原理及技巧
照明光学设计原理及技巧
照明光学设计是指基于光学原理和技巧来设计照明系统，以实现高效、均匀、舒适的照明效果。
在进行照明光学设计时，以下是一些重要的原则和技巧：
1. 光的投射与散射：光源发出的光线需要经过适当的反射、折射和散射，以实现所需的光照效果。
通过使用不同材料的反射镜、透镜和衍射元件，可以控制光的方向、强度和分布。
2. 光束的控制：通过使用凸透镜、聚光灯和反射器等光学元件，可以控制光束的聚焦或扩散，以实现需要的照明形式。
例如，聚光灯可以将光束集中到一个特定区域，而反射器则可以将光束扩散到更大的区域。
3. 颜色温度和色彩还原性：照明系统的颜色温度和色彩还原性对于创造舒适的照明体验至关重要。
颜色温度通常通过选择合适的光源来实现，而色彩还原性可以通过光源的CRI（Color Rendering Index）来评估和优化。
4. 照明平衡与均匀性：在设计照明系统时，需要确保光线在被照明区域内的分布均匀且平衡。
通过合理布置灯具、采用适当的光线控制装置和良好的灯具排布，可以实现更均匀的光照效果。
5. 照度和照射度：照度是指单位面积上接收到的光照量，而照射度是指光源发出的光线通过单位面积的强度。
在照明光学设计中，需要根据照明需求和使用环境，合理地选择照度和照射
度的数值。
6. 舒适和节能：照明系统既要满足人眼的舒适感受，又要考虑节能和环保。
通过合理控制照明亮度、色温和照明效果，可以达到提供舒适照明的同时最大限度地减少能源消耗。
照明光学设计是一个综合性的工程领域，需要考虑多个因素并进行合理权衡。
通过掌握照明光学的基本原理和技巧，设计出高效、均匀、舒适的照明系统将变得更加容易。
LED灯具结构设计
按功率大小分类
可分为小功率LED灯（<0.5W ）、中功率LED灯（0.5-2W ）和大功率LED灯（>2W）
。
按使用场合分类
可分为室内LED灯和室外LED 灯。
按形状分类
可分为圆形、方形、条形、环 形等多种形状的LED灯。
LED灯具应用领域
照明领域
LED灯具具有高亮度、低功耗、长寿 命等优点，被广泛应用于室内照明、 室外照明、道路照明等领域。
随着消费者对LED灯具品质和外观的要求不断提高，灯具结构设计显得尤为重要。
本文旨在探讨LED灯具结构设计的原则、方法和实践，为相关从业人员提供参考和 借鉴。
灯具结构设计的重要性
提高照明效果
优秀的灯具结构设计能够优化 光线的分布和照射角度，提高
照明效果和质量。
增强散热性能
LED灯具在工作时会产生热量， 良好的结构设计有助于提高灯 具的散热性能，延长使用寿命 。
能带结构与发光
LED材料中的导带与价带之间的能量 差决定了发光颜色，不同材料具有不 同的能带结构，从而发出不同颜色的 光。
电流驱动发光
当LED两端加上正向电压时，电流从 LED阳极流向阴极，电子与空穴在PN 结附近复合，释放出能量并以光的形 式发出。
LED灯具分类
01
02
03
04
按发光颜色分类
可分为单色LED灯、双色LED 灯和多色LED灯。
散热器设计
根据热传导路径和散热需 求，设计高效的散热器结 构，如翅片、热管等。
热界面材料
选用合适的热界面材料， 如导热硅脂、导热垫片等 ，以降低热阻，提高散热 效率。
光学与散热的平衡
结构优化
在保证光学性能的同时，优化结 构以减少热阻，提高散热效率。