光学设计第14讲LED灯具光学
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
LED光源的光学设计
LED光源的光学设计
LED光源的一次光学设计
每一个LED光源都有一个特定的光强分布特性，即配光曲线，我们称这个过程叫一次光学设计。
大多数情况下，LED光源的配光曲线为朗伯型，即发角强度随角度变化呈余弦分布：
其它几种比较常见的LED光源一次配光：
LED光源的一次配光与二次光学设计之间的相互配合是非常关键的，为方便二次光源透镜的设计将尽可能使用不会改变原始芯片出光规律的光源，即出光特性为朗波型的LED光源。
LED光源的二次光学设计
一般情况下，LED光源的本身的出光角度和光强分布不能满足特性情况下的应用条件，所以有必要进行二次配光来改变光源的光线输出，来达到实际的应用要求。
二次光学设计的主要作用通常为以下三种类型：
1. 分散：把LED光源发出来的光线分散，以形成更大的角度以达到在接收屏（平面）形成更均匀的光斑（如顶棚灯，直射式电视背光透镜等）。
2. 汇聚：把LED光源的光线聚集到更小的范围内，以提高中心发光强度（如投射灯，舞台灯等）。
光学人生
= lm_optical =。
LED照明光学系统设计
反射器设计
总结词
反射器用于引导光线向特定方向照射，提高LED照明效率。
详细描述
反射器的设计通常采用具有高反射率的材料制成，如金属或 涂层。通过改变反射器的形状和角度，可以引导光线按照所 需路径传播，减少光的浪费和眩光。反射器与透镜的配合使 用，能够进一步优化照明效果。
散射器设计
总结词
散射器用于改善光线分布，提高照明均匀性和舒适度。
害物质，对环境友好。
响应速度快
LED的点亮响应时间短，可实 现快速开关和调光控制。
安全性高
LED不易损坏，对电压和电流 的变化具有较强的耐受能力， 不易引发火灾等安全事故。
LED照明应用领域
01
02
03
室内照明
LED可广泛应用于家庭、 办公室、商场等室内场所 的照明。
室外照明
LED也可用于城市景观照 明、道路照明、体育场馆 照明等领域。
颜色光谱
发光效率
LED的发光效率高，电能转化为光能 的效率可达50%以上，远高于传统光 源。
LED发出的光具有特定的颜色光谱， 取决于使用的半导体材料和制造工艺。
LED照明特点
01
02
03
04
长寿命
LED的使用寿命长，通常可达 5万小时以上，减少了更换和
维护的频率。
节能环保
LED的能耗低，相比传统光源 可节省大量能源，同时不含有
LED照明光学系统设计
• LED照明基础知识 • LED照明光学系统设计原理 • LED照明光学系统设计要素 • LED照明光学系统优化设计 • LED照明光学系统设计案例分析 • LED照明光学系统发展趋势与挑战
01
LED照明基础知识
LED照明原理
《灯具光学讲义》课件
05
灯具光学的未来发 展与挑战
新材料与新技术的应用
新材料
随着科技的进步，新型材料如纳米材料、高 分子材料等在灯具光学领域的应用将更加广 泛，能够提高灯具的性能和寿命，同时降低 能耗。
新技术
LED、OLED等新型照明技术的出现，为灯 具光学带来了革命性的变革，具有高效、节 能、环保等优点，是未来发展的重点方向。
智能化与互联网+的融合
智能化
随着物联网、人工智能等技术的发展，灯具 光学将更加智能化，能够实现远程控制、自 动调节等功能，提高用户体验。
互联网+
通过与互联网的结合，可以实现灯具之间的 互联互通，打造智能家居生态系统，为用户
提供更加便捷、舒适的生活环境。
人性化与舒适度的提升
要点一
人性化
灯具光学设计将更加注重人性化，以满足不同用户的需求 ，如可调节色温、亮度等，提供更加舒适的照明环境。
灯具光学的发展历程与趋势
• 总结词：随着科技的不断进步，灯具光学也在不断发展，未来将朝着更 加智能化、绿色环保和个性化方向发展。
• 详细描述：自照明技术诞生以来，灯具光学经历了多个发展阶段。从最初的烛光和油灯，到白炽灯和荧光灯，再到现代 的高效LED灯具，灯具光学在不断地发展和进步。未来，随着科技的不断发展，灯具光学将朝着更加智能化、绿色环保 和个性化方向发展。智能照明系统可以通过传感器和控制系统实现个性化的光照调节，提高人们的舒适度和效率；绿色 环保的照明系统则注重节能和环保，有利于可持续发展；而个性化的照明设计则可以满足人们多样化的需求，提升照明 体验。
光的反射定律
入射角等于反射角，镜面反射遵 循这一规律。
光的透镜原理与折射
透镜的分类与原理
凸透镜会聚光线，凹透镜发散光线。通过透镜的光线会改变 方向。
LED照明光学设计
LED照明光学设计为了满足城市道路照明设计标准,传统的道路照明灯具往往采用耗电200瓦以上含水银的灯泡。
相比之下,到2009年,市场上发光二极管(LED)的光学效率已经超过了100lm/W,这意味着采用LED作光源的路灯,其耗电量将会大大的减少。
由于LED的超长寿命、不含汞和节能的特性,采用LED作光源的路灯来取代传统的LPS(低压钠灯)或MH(金属卤化物灯)是很好的选择。
目前,LED路灯在世界上各个国家都进行了测试。
为了解决能源紧缺和温室气体的排放问题,LED路灯在一些地方已经实用化,其中中国、北美以及欧洲的一些地区和都市的政府进行了积极的推广。
由于市场上出厂的LED大部分都是呈郎伯型(Lambertian distribution)分布,中心光强比较强,而且是对称的圆形光斑分布,不能直接用于道路照明。
为了满足城市道路照明设计标准,LED路灯需要进行二次光学设计,以产生一个长方形、均匀分布的光斑,其配光曲线需要呈蝙蝠翼的形状。
另外,光学设计的好坏直接决定了LED路灯的效率,有的LED路灯加上了设计不好的二次透镜之后,有些光在透镜里面多次反射后损耗掉了或者是不能配到有效的区域,有些二次透镜虽然光斑形状和均匀度都可以,但出光效率却降低了将近一半。
还有,光学设计的好坏也均定了LED路灯有无眩光,有的设计得不好的透镜,虽然也可以产生一个长方形、均匀分布的光斑,配光曲线也可以呈蝙蝠翼,但由于没有采用截光设计,导致沿道路方向75~90范围的出射光还是很多,这样就会给远处的车辆或行人造成眩光。
好的光学设计应充分利用LED光源面积小这一优点,充分考虑光的利用率,将所有从LED芯片发出的光都分配到路面上,形成一个均匀度好、无眩光、配光曲线呈蝙蝠翼的光斑。
本文将基于这些因素来探讨LED道路照明系统的光学系统设计及发展趋势。
提供LED照明精准的自由曲面配光设计QQ 277581880Email: caicaichangchang@。
LED照明光学系统设计解读
LED照明光学系统设计解读首先，光学系统设计中需要考虑的一个重要因素是光束的控制。
光束的控制涉及到光线的聚焦和扩散，通过合适的透镜设计和反射镜安置，可以实现不同的光束角度和光强分布。
例如，对于室内照明，为了使得整个空间都能够得到均匀的照明，可以设计出广角的光束分布，通过透镜的扩散效果将光线辐射到更大的范围内；而对于厨房等需要集中照明的场所，可以设计出狭角的光束分布，使得光线更为集中。
其次，光学系统设计中还需要考虑到光线的散射效果。
光线的散射主要通过透明材料来实现，如漫反射镜或者散射罩的使用。
通过合适的表面处理和材料选择，可以使光线在出光区域内均匀分布，减少光斑和光直接炫光的问题，增强照明效果的质量。
同时，通过控制材料的散射角度，可以避免光线遗漏，提高能源利用率。
此外，光学系统设计中还需要考虑到光效的问题。
光效是指照明产品所发出的光线中真正被利用到照明作用的百分比。
为了提高光效，需要首先注意光源的选择。
LED作为一种高光效的照明光源，已经在照明领域得到广泛应用。
其次，在光学系统设计中，可以通过透镜和反射镜的设计来提高光效。
透镜的设计可以减少光线的反射和衍射现象，提高光线的传输效率；反射镜的设计可以将反射光线重新聚焦，增加光线的利用率。
此外，还可以通过优化光线的传输路径来减少光线损失，提高光效。
最后，光学系统设计中还需要考虑到实际应用的要求。
不同的应用场景对于照明产品的要求是不同的，比如室内照明、室外照明、景观照明等。
每个场景对于光束的形状、光强分布、颜色温度等都有不同的要求。
因此，在光学系统设计中需要根据实际应用情况做出相应的调整和优化，以满足用户的需求。
综上所述，LED照明光学系统设计是为了实现良好的照明效果，在光束控制、光散射、光效等方面进行合理的设计。
通过合适的透镜和反射镜的设计，可以实现光束的聚焦和扩散；通过适当的散射材料的选择和表面处理，可以实现光线的均匀分布和减少光斑和光直接炫光的问题；通过优化光效和光线传输路径，可以提高光效和能源利用率；最后，根据实际应用要求，进行相应的调整和优化，以满足用户需求。
LED照明产品光学设计
LED阵列模组+单颗透 镜+露孔压板
优点：制造工艺成熟， 透镜成本低，不易积灰 缺点：结构相对复杂， 灯具效率受到影响
优点：结构最简单，灯 具效率最高 缺点：裸露的透镜易积 灰、老化、变形
优点：易替换，光效 高，透镜成本低 缺点：易积灰，防水 设计难度较大
路面亮度的测量
γ
P
β
α
60～160m
1.5m
1/4车道
测量点最小间距小于5米，则亮度计：
– 垂直视场角<2’ – 水平视场角2’~20’
计算 “检测”路面亮度的方法
随着经济和全球科技的发展， 亮度评价系统可能也应该普 遍成为评测道路照明设计的标准 采用理论计算的方法 “检测”路面亮度：
指标7 耐候性
LED标杆评估范围
光效评估
对耐候性 的评估
评估范围
光色质量 评估
对配光 设计的 评估
LED标杆评估范围与标杆指标、指标权重间的关系
光效评估 指标1 灯具光效 26.67% 6.67% 指标3-1 单位功率平均照度 6.67% 指标3-2 单位功率平均亮度 13.33% 指标6 20lux平均照度下单位面积功率 光色质量评估 4.44% 指标2 色温 对配光设计的评估 指标3-1 单位功率平均照度 6.67% 指标3-2 单位功率平均亮度 6.67% 13.33% 指标6 20lux平均照度下单位面积功率 6.67% 指标4-1 照度均匀度 6.67% 指标4-2 纵向亮度均匀度 2.23% 指标5 环境比 对耐候性的评估 20.00% 指标7 耐候性
灯具光学设计
ρ
ρ ρ τ
透射 比
α
吸收
2.等亮度原理 光源的亮度L在反射面的反射比ρ=1和透射面的 透射比τ=1的过程中亮度不变. 若不等于1的话,光源亮度减低ρ或τ,即不会增加, 只会减少.不能用什么光学系统来增加亮度。 L’= ρL或L’= τL
L L’ L’
L’
L
3.微元立体角内光通量的传递(光强计算) 1)光学设计的基本目的是计算出射光线的光强 分布; 2)出射光线的光自 dΦ’ 来自反射面上某一 dωc,γ 面元ds上反射的光 通量dΦ’的贡献; 3)而ds上的光线来 自光源射向该面元 dωθ,φ 的光通量dΦ.
渐开线的反射光路 从圆的切线反射器内侧射向反射面的光线都 被反射到另一个侧面而射出反射器,并没有反射光 回到光源被自身被挡. 图中的红线都是圆 的切线,就是曲线的 法线. 反射光线用颜色示 之,如蓝色的光线都能 射出去.
圆渐开线的计算
2.扩散材料 光线被该材料扩散,原光束角度增大.采 用两面之间光通量互换的方法进行.目前 在漫反射材料之间的光通量互换有现成 的公式可查到. 漫反射材料的反射 比ρ,出光度M,亮度L和 照度E有下面的关系: L=M/π=E· ρ/ π
曲线.
圆滑曲线
折线段
用反射材料制成的反射器不一定是圆滑曲线,特别在 当前,为了减少被照面上的光斑和使产品更有冲动的感 觉(更有冲击力),已向折线反射器的方向在变化.
(1)圆
圆是一种收集光线和扩散光线的反射器,单个使用的 不多见.下面比较光源置于不同位置上后的结果. 圆心和反射面之间 圆心 圆心以外 光源位 置
高压钠灯的寿命与管压有关,因此,增加管 压也就降低了寿命,有下图:
(6)此点对T5荧光灯的密闭形灯具也有类似 结果 T5荧光灯的最大光通量输出发生在350C的 环境温度下,在密闭形灯具内,灯管周围的温 度高,灯管的光输出高;在裸灯管测量时周围 温度只有250C,光输出低,因此灯具效率也会 变得很高. 例如形式相同的灯具,点T8的效率为66%, 点T5的为89%.
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LED 汽车照明
1、背景
11 r1 r2
1f (nL1)
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
功
率
/W
LED路灯 75
总功 平均寿 年用 年换 年运 5年运
率 命/h 电量/ 灯费 营费 营费
/KW
万度 用/万 用/万 用/万
元元元
12 50000 5.54 0 5.54 27.7
高压钠灯 190 30.4 5000 17 1.6 22.6 113 路灯
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
级
的道路
道路
平均路面亮 整体均匀度 车道平均亮度 环境照明系
度
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
-----
-----
我国道路照明标准 机动车交通道路照明标准值
路面亮度
路面照度
级 别
道路类型
平均亮 总均 度 匀度
灯具光学设计基础
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
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
LED路灯设计及趋势
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。
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
d2F
L
ddScos
Lmin / Lav
日光灯 光扩罩透光率达到92%，一般产品只能达到85%
其中fa(1：simn)ax
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。
c(d1)2 d2
1
sin2max
LED道路照明
1、十城万盏
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
Lmin / Lmax
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
3、道路照明标准
国际照明委员会（CIE）机动车交通道路照明标准
L d2F
ddScos
不同等级道路照明标准
等
所有道路
较小交叉路口 带人行道的
人行道照明标准
夜间行人 流量 流量大的 道路
流量中的 道路
流量小的 道路
区域
商业区 居住区 商业区 居住区 商业区 居住区
路面平均 路面最小 最小垂直 照度（lx） 照度（lx） 照度（lx）
20
7.5
4
10
3
2
15
5
3
7.5
1.5
1.5
10
3
2
5
1
1
节能指标
隧道灯道路分段计标准
隧道灯区段照明长度及路面最低亮度
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。
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。
(cd/m2)
纵向
均匀 度
平均 照度
眩光 均匀 限制
度
Eav(lx)
环境比
SR 最小值
Ⅰ 快速路、主干路 1.5/2.0 0.4 0.7 20/30 0.4 10
0.5
Ⅱ
次干路
Ⅲ
支路
0.75/1. 0
0.4
0.5 10/15 0.35 10
0.5
0.5/0.7 5
0.4
—
8/10 0.3 15
—
道路交汇区平均照度表
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
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
项目
交汇区类型
主干道与主干道交汇 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 次干道与支路交汇 支路与支路交汇
路面平均照 度（lx） 30/50
20/30 15/20
照度平均值 0.4
眩光限制
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
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。
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
车速Km/h 引入段
距离 亮度 /m Cd/m2
80
40 80
60
25 50
40
1 Cd/m2
40 80-46 30 50-30 20 30-20
1.0
过渡段
距离 亮度
/m
Cd/m2
40 46-4.5
30 30-2.3
20 20-1.5 1.0
4、LED在道路照明中的优势及难点