照明光学设计基础知识
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
照明光学设计原理与技巧
照明光学设计原理与技巧
照明光学设计是指在照明系统中应用光学原理和技巧来达到预期目标的过程。
以下是一些常用的照明光学设计原理和技巧：
1. 光线传播原理：了解光线如何传播和反射对于设计照明系统至关重要。
根据光线的传播特性选择合适的光源和光具可以实现所需的亮度、光照分布和控制。
2. 反射和折射：通过选择适当的反射和折射材料和形状，可以控制光线的传播方向和角度，从而实现特定的光照效果。
3. 瞳孔原理：使用瞳孔原理可以控制光源的亮度和光照范围。
通过选择合适的瞳孔大小和形状，可以实现所需的光照效果和能效。
4. 高效能源利用：利用光学技巧可以提高能源利用效率。
例如，使用反射镜或透镜来实现光线的集中和聚焦，减少能源消耗。
5. 光束控制：通过透镜、反射镜和光控模块等元件来控制光束的方向、角度和形状，从而实现所需的照明效果。
6. 高光反射控制：使用高光反射控制技术可以减少光线的反射和散射，提高照明系统的效率和效果。
7. 颜色温度和色彩再现性：了解光源的颜色温度和色彩特性对于实现所需的光照效果和色彩再现性非常重要。
选择合适的光源和颜色温度可以达到理想的照明效果。
8. 光控技术：使用光控技术可以根据环境需求和使用情况实时调节照明系统的亮度和光照分布，提高能源利用效率和用户体验。
照明光学设计需要兼顾光学原理、工程技术和人类感知等因素，综合考虑各个方面的要求和约束，才能获得满足需求的照明效果。
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
灯具相关的光学基本知识
灯具相关的光学基本知识一. 光与电磁波：光是一种电磁波，速度为：30×10000 km/s波长为780～380nm（纳米）。
1纳米=10的-9次方米二. 光谱与颜色：光谱：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫红外线波长：620～780nm。
紫外线的波长：380～420nm。
如下图：波长780～620～590～560～490～450～420～380nm太阳光：波长是780～380nm，纯白色。
白炽灯：波长为780～400nm，缺少紫光，故合成后光色略偏红黄。
荧光灯：波长为750～310nm，缺少红光，故合成后略带青色或呈青白色。
三. 灯具的主要作用：1. 固定和保护灯；2. 控制和分配灯光，突现所需的光分布；3. 装饰与美化环境四. 照明灯具的光特性：照明灯具的光特性主要用三项技术数据来说明，即：1. 发光强度的空间分布；2. 灯具效率；3. 亮度分布或灯具遮光角；五. 发光强度的空间分布任何灯具在空间各方向上的发光强度都不一样，我们可以用数据或图形把照明灯具发光强度在空间的分布状况记录下来，通常我们用纵坐标来表示照明灯具的光强分布，以坐标原点为中心，把各方向上的发光强度用矢量标注出来，连接矢量的端点，即形成光强分布曲线，也叫配光曲线。
因为大部份的灯具的形状是轴对称的旋转体，其发光强度在空间的分布也是轴对称的。
所以，通过灯具轴线取任一平面，以该平面内的光强分布曲线来表明照明灯具在整个空间的分布就够了。
如果照明灯具发光强度在空间的分布是不对称的，例如长条形的荧光灯具，则需要用若干测光平面的光强度分布曲线来说明空间光分布。
取同灯具长轴相垂直的通过灯具中心下垂线的平面为C0平面，与C0平面垂直且通过灯具中心的下垂线的平面为C90平面。
至少要用C0、C90两个平面的光强分布说明非对称灯具的空间配光。
为了便于对各种照明灯具的光分布特性进行比较，统一规定以光通量为1000流明（lm）的假想光源来提供光强分布数据。
照明基础必学知识点
照明基础必学知识点1. 光的本质：光是一种电磁辐射，具有波粒二象性，在空气中的速度约为每秒30万公里。
2. 白光与彩色光：白光是由各种波长的光混合形成的，而彩色光是指特定波长范围内的光，如红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等。
3. 光的三基色：在彩色光中，红、绿、蓝被称为光的三基色，它们可以组合形成各种其他颜色。
4. 光的反射：光遇到物体时，部分光线会被物体表面反射回来，我们通过反射的光线才能看到物体。
5. 光的折射：光从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象。
光线在折射时会改变传播方向，并且光在不同介质中的传播速度也会改变。
6. 光的传播方式：光可以直线传播，也可以经过反射、折射等方式传播。
7. 光的衍射：当光经过一个小孔或物体边缘时，会出现衍射现象，即光的弯曲和扩散。
8. 光的干涉：当两束或多束光线重叠在一起时，会出现干涉现象，干涉可以产生明暗条纹。
9. 光的色散：当白光通过一种介质时，不同波长的光会因为折射率的不同而发生偏折，从而产生彩虹色的现象。
10. 光的强度和亮度：光的强度指的是光的辐射能力，亮度指的是人眼感知到的光的明暗程度。
11. 光源的分类：光源可以分为自然光源和人工光源。
常见的自然光源有太阳和火焰，常见的人工光源有灯泡、荧光灯、LED等。
12. 光的色温：光源的色温是指光源发出的光线的颜色，常用单位为开尔文（K），冷色调的光源色温较高，暖色调的光源色温较低。
13. 光的强度衡量：光的强度可以通过光通量和光照度来衡量，光通量单位为流明（lm），光照度单位为勒克斯（lx）。
14. 光的色彩表示：光的色彩可以通过RGB（红绿蓝）或CMYK（青、品红、黄、黑）等颜色空间来表示。
15. 光的效果：光的效果常常可以利用透镜、反射器等光学元件来实现，如聚光、扩散、聚束等。
这些基础知识点是照明领域中常见且重要的内容，在学习和理解照明原理和应用时，对于工程设计、灯具选择、照明效果评估等方面都具有指导作用。
LED灯具基础知识
晶日照明科技有限公司
目录
第一章：光学知识简介 第二章：常用光源简介 第三章：LED光源的优越性 第四章：我公司LED路灯介绍
第一章 照明光学知识简介 一：光的度量及其单位
光通量 光源在单位时间内向周围空间辐射出去的并能使人眼产生光感的能量，称为 光通量。单位为流明（lm）。光通量=光效X功率 发光强度（光强） 光源在空间某一方向上单位立体角内发射的光通量与该立方体角的比值，称 为光源在这一方向上发光强度，简称光强，单位为坎德拉（ cd）。 照度 照度是用来说明被照面（工作面）上被照射的程度，通常用其单位面积内所 接受的光通量来表示，单位为勒克斯（lx）或流明每平方米（lm/m2）。 亮度 亮度也是用来表示物体表面发光（或反光）强弱的物理量，被视物体发光面 在视线方向上的发光强度与发光面在垂直于该方向上的投影面积的比值，称 为发光面的表面亮度，单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。 光源的发光效率 光源的发光效率通常简称为光效，是描述光源的质量和经济的光学量，它反 映了光源在消耗单位能量的同时辐射出光通量的多少，单位是流明每瓦 （lm/w）=lm/w。
三、光的显色性
光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性，也就是颜色逼真 的程度，显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色 也就接近自然色，显色性低的光源对颜色再现较差，我们所见 到的颜色偏差也较大，用显色指数（Ra）表示。国际照明委 员会CIE把太阳的显色指数定为100，各类光源的显色指数各 有相同，如：高压钠灯的显色指数为Ra=23，荧光灯管显色指 数Ra=60-90。显色指数越接近100，显色性就越好。 如下图：不同显色指数下的物体所呈现出来的效果； 很好 较好 普通 Ra=100 80<Ra<90 60<Ra<80
照明基础知识
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第二章
常见电光源及电器介绍
重庆雷士科技发展有限公司
常见电光源主要性能参数比较
白炽灯 额定功率（W) 光效（Lm/W) 平均寿命（h) 显色指数 色温（K) 151000 2.4-12 500 100 2500 荧光灯 6-125 25-60 5000 60-80 5000 高压汞灯 50-1000 16-50 5000 30-40 5000 高压钠灯 35-1000 70-120 20000 20-25 2000 金卤灯 353500 60-90 8000 65-90 5000 120以 上 50000 60-85 6000 LED 无极荧光灯 20-250 60-80 100000 60-80 5000
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4．灯具效率 灯具实际发出的光通量与灯具内电光源发出的光通 量之比。它是衡量灯具是否节能的重要指标之一 ,用 百分数表示。 5．光通量维持率 灯具在给定的点燃时间后的光通量与其初始的光通 量之比，用百分数表示。 6．照明功率密度（LPD) 单位面积上的照明安装功率（包括光源、镇流器或 变压器），单位为W/m2。
（2）色温和显色性 一般照明用的卤钨灯的色温为2800～3200 K。与普通白炽灯相比，光 色更白一些，色调也稍冷一点，卤钨灯的显色性十分好，一般显色指 数Ra=100。
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荧光灯
荧光灯具有光效高，发光柔和，寿命长等特点，可以做 成各种光色，其形状有直管形U形和环形等，广泛用作室内 照明。
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照明设计基础知识
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第一章 光学和照明工程
一、光的基本概念
光是一种电磁辐射，可见光是电磁辐射的一部分，电磁辐射包括 微波、红外、可见光、紫外辐射、x射线和γ射线。在这些电磁辐射中 ，只有可见光波段是眼可见的。 可见光波段包括波长380-780纳米（1 纳米=10-9米）的电磁波段。
照明基础知识
照明基础知识一、光学基本知识1. 光的本质光的本质是一种电磁波，其波长范围广泛。
能够引起视觉反应的光被称为“可见光”，其波长在380-780纳米之间，是电磁辐射光谱中的一小部分。
不可见光如红外线、紫外线等，则因其波长超出此范围而无法被肉眼直接感知。
2. 光通量光通量是衡量光源输出可见光量的总和，是光源发光能力的指标。
它表示发光体每秒所发出的可见光量，单位为流明（lm）。
3. 光效与发光强度光效即发光效率，是电光源将电能转化为光的能力，以流明每瓦（lm/w）为单位。
发光强度（光强）则是指发光体在特定方向单位立体角内所发射的光通量，常用坎德拉（cd）来表示。
4. 照度与亮度照度是表征被照面上接收光的强弱，即被照面单位面积上接收的光通量，单位为勒克斯（Lux）或流明平方米（lm/㎡）。
而亮度则是指光源在某一方向上的单位投影面在单位立体角中反射光的数量，单位为坎德拉每平方米（cd/㎡）或坎德拉每平方厘米（cd/cm²）。
5. 眩光与光束角眩光是指视野内有亮度极高的物体或强烈的亮度对比造成的视觉不舒适感。
光束角则是射灯发射光的空间分布，以中心最强，向四周逐渐减弱到中心光强50%强度的圆锥角。
6. 其他重要概念●功率因素：电路中有用功率与实际功率之间的比值，影响电网的平衡度和无功损耗。
●频闪效应：电感式荧光灯随电压电流周期性变化，光通量也周期性变化，导致视觉不舒适。
●平均寿命与经济寿命：衡量光源使用寿命的指标，分别考虑光源损坏和光束输出衰减的情况。
●显色性：光源对物体颜色的呈现能力，以显色指数（Ra）表示，高显色性光源能更真实地还原物体颜色。
●色温：光源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时，黑体的温度即为该光源的色温，以开尔文（K）为单位。
二、照明工作原理照明的基础是光源产生光线并将其传播至需要照明的区域。
照明工作原理主要包括以下几个环节：1.光源产生光线：光源可以是自然的（如太阳、星星）或人工的（如灯泡、LED）。
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。
照明光学设计
照明光学设计
照明光学设计是一种技术，它利用照明光学原理来保证有效的、可控的照明光源。
它
是由照明设计师和工程师合作完成的，旨在创建舒适而良好的照明环境。
照明光学设计应充分考虑夜晚照明系统的特性，以确保良好的光学质量和使用效率。
它涉及内容包括照明技术、照明源、光学学科、光学设计等。
首先，照明光学设计要考虑照明技术的指标，如发光强度、色温、色度等，以满足不
同的照明需求。
选择适当的光源对于照明设计非常重要，一旦选择不恰当的光源就可能给
视觉效果造成影响。
以满足视觉特定要求，可以考虑普通照明光源、节能灯和 LED 灯等。
其次，光学设计要考虑并确定各种光学核心元素，包括光源、聚光器、穹顶及墙壁系
统等，以及关于光源本身的参数。
对于灯具等外部参数，应考虑其可控性和可用性，以有
效提升照明的性能。
冷却效果也不容忽视，冷却系统的选择能够降低照明设备的热量释放
到外界，并且在确保安全和高光释放效果的同时，显著降低能耗。
此外，照明光学设计中要考虑光照标准特性。
当选择相对较强的照明光源时，要考虑
所在环境中光度之间的相对差异，让照明更加安全、更加均匀。
另外，在照明设计中要考
虑照明反射和衰减特性，以避免过多的照度和可视度损失。
总的来说，照明光学设计是一门技术，它旨在实现有效的、可控的照明环境，满足使
用者对照明技术的安全需求。
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• 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）
而40W的荧光灯的全部辐射约为2300lm
• 1lm表示在某一方向上的发光强度为1cd的 发光体在单位立体角内的通光量，即
1lm1cdsr
发光强度
➢它表示在指定方向上光源发光的强弱，即 单位立体角内发出的光通量
d I
d
➢发光强度的单位为坎德拉 （1lm/sr=1cd）
➢对于均匀点光 源
I
4
➢ 1cd（坎德拉）代表发光体发出的电磁波频 率为540X1012Hz的单色辐射（波长为 555nm），且在此方向上的辐射强度为 （1/683）W/sr
照明光学基础知识
2008.1.21
第一章 光度学照度学 基础
• 研究可见光的测试、计量和计算称为 “光度学”
人眼的视见函数
➢可见光 –光的辐射能中能引起人眼的视觉效应的区域。
• 这个区域从400纳米到760纳米。 • 人眼观察辐射体时，其视觉强弱与辐射波长和
辐射强度（某一方向）有关 ➢在可见光中不同波长的光所引起的视觉效应的灵敏
4
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。
从一个球面上去处1球面度立体角的圆锥
计算微元立体角的几何关系
几个概念
• 反射，折射，透射，吸收： • 1．据能量守衡定律，材料的反射系数+透射系数+吸收系数=1 • 铝（普通）的反射系数为60-73%，吸收系数为27-40%。 • 铝（电解抛光）的反射系数为75-84%（光泽），62-70%（无光）。 • 铬反射系数为65%，吸收系数为35%。 • 2．光的反射分类：定向反射（Specular Reflection），散反射
➢光亮度的单位为坎（德拉）/米2（cd/m2）
L I I
L I d
dSn dScos
dSn dScosd
I d d
光亮度表示发光面上单位投影面 积在单位立体角内所发出的光通 量，表示面光源物理量
立体角的意义和它在光度学中的应用
• 立体角的定义：
一个任意形状的
封闭锥面所包含
的空间称为立体
Ω
角，用Ω表示。
立体角定义图
以锥体顶点为 球心，任意r为半径 作一球面，此锥体 在球面上的截面为S， 则立体角表示为
S r2
S Or
➢ 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4πr2, 对于整个空间有
4r2
r2
度是不相同的。 ➢在光度学中，为了表示这种差别，定义V (λ)为“视
见函数”（光谱光视效率）。
➢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
• 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)
➢1坎德拉等于光源在1个立体弧度内产生1流 明的光通量
➢坎德拉是光度学中最基本的单位，也是国 际基本计量单位之一。
光照度
➢当某一表面被发光体照明，用光照度E 来表示被照明表面A处的照明强弱 E d
dS
➢在均匀照明情况下
E
S
• 光照度表示被照明的表面单位面积上所接 收的光通量。
• 单位为勒克斯（lx）。 • 1lx等于1m2面积上发出或接收1lm的光能
➢V(λ)≤1
➢不同人在不同观察条件下的视觉函数略有差 别
V()
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
400 450 500 550 600 650 700
/nm
光通量
• 光通量是描述客观辐射通量所引起的人眼视觉强 弱的物理量,是光度学中的基本物理量
• 光通量的单位是流明（lm） • 一只40W白炽灯的全部辐射的光通量为500lm，
(Spread Reflection)，漫反射(Diffuse Reflection)，混合反射 (Compound Reflection)。 • 3．折射：水的临界折射角为48.5°，玻璃的临界折射角为30°到 40°。玻璃的折射率为1.5左右。 • 4．光的透射分类：定向透射，散透射(Spread Transmission)，漫透 射(Diffuse Transmission)，混合透射(Mixed Transmission)。 • 5．光在玻璃表面垂直入射时，入射光在入射面被反射4%，在透过面 被反射3-4%，被吸收2-8%，透过率为80-90%。 • 6．材料的表面的光反射和光透射具有光谱选择性。
量，即：的概念并不能表示发光面不同方 向的发光特性。
• 用光亮度来表示发光表面不同位置和不同 方向的发光特性。
• 在该方向上单位投影面积的发光强度。
I
N O
dΩ α A dS
L I I
dSn dScos
➢L表示发光面上A点处在AO方向上的发光特性
➢光亮度等于发光表面上某点周围的微面在给 定方向上的发光强度除以该微面在垂直于给 定方向的投影面积
照度、亮度图解读
• 通过照度图和亮度图可得到照明灯具的全 部配光信息
灯具照明示意图
照射面
θ 灯具
灯具照明中心垂直照射接收面
照射面
观察者位于 灯具位置沿 着光束中心 线观察
灯具
• 如图所示灯具垂直照射接收面光束角度为θ
• 设此图是接收面的照度图。每种颜色代表一定强 度范围内的光照度，绿色代表照度最大最大值为 627.63lux，黑色照度最小。横坐标为接收面x方 向坐标，纵坐标为接收面y方向坐标，原点处对应 灯具中心到接收面垂线的垂足。