LED灯具讲义的二次光学设计

LED路灯自由曲面二次光学透镜的设计

灯的配光为矩形光斑，路灯发出的光都应分布在路面上，路面外的部分接收光几乎为０以免对远处的车辆，或行人产生眩光。在传统的以高压钠灯为光源的道路照明中，利用在抛物面、椭球面等二次圆锥曲面上进行反射加透射结构的光学设计，形成要求的矩形光斑。Ｅ］ＬＤ是一种朗伯体光源，辐射角为９。２。，０一１０直接照射在路面上会形成１面积较大的圆形光斑。为了有效利个用光线，并且满足道路照明要求，需要对ＬＤ进行二Ｅ次光学设计，希望由ＬＤ发出的光会在路面形成照度Ｅ均匀的矩形光斑。
Ａｓｒｃ：ｓｈｄａｔｇｆｉｆｃｎｙａｄｌｇｌｅｓｍｃｎｕｔｇｔｅｔｎｉｅ（Ｄｌｈ－ｍｉｉｇｂｃｍｅｔｅｂｔａｔＡｅａｖｎａｅｏｇｅｉｃｎｎｆ，ｅｉｄｃｒｉ－ｍｉｉｇｄｏｔｈｈｆｅｉｏｉｏｏｌｈｔｄＬ）ｉｔｅｔｎｅｏＥｇｔｈ
ｔｎｏｄｌｈｉｇａｐｉａｉｎ．Ｉｒｅｏｇｔｔｅｒｃａｇｅａｄｕｉｒｌｈｉｇａｄｍｅｔｔｅｓａｄｒｓｏｅｃｔｏｄｒｄｏｒａｉｔｐｌｔｓｎｏｄｒｔｅｈｅｔｎｌｎｎｆｍｉｔｎｅｔｎａｄｆｔｉｒａｅｆｇｎｃｏｏｇｎｈｈｙｌｈｉｇｈｒｅ— ｏｅｓｏｈｅｏｄｏｔａｓｄｓｇｅ，ａｄｉＣｏｏｅｔｅＬＤｍｏｕｅｏｓｅｎｈａｔａｉｔ，ｔｅｆｇｎｅｆｒｌｎｆｔｅｓｃｎｐｉｌｉｅｉｎｄｎｔａｃｍｐｓｍｃｎｈＥｄｌ．ＣｎｉｒｇｔｅｃｕｌｄｉｐｃａｅａｄｔｅＬＤｌｈｉｔｂｔｎｃｒｅａｄｕｉｇｇｉｏｕｉｇｍｅｈｄｃｒｅｐｎｉｇｃｉｒｔｎｍｅｈｄｔｅｆｅｆｎｌａｋｇｈｎＥｉｔｄｓｒｕｉｕｖｎｓｎｒｄｃｍｐｔｔｏｏｒｓｏｄｎａｂａｉｔｏｈｒ－ｌｇｉｏｎｌｏｅｏｓｒｃｅｓｃｎｐｉａｅｓｄｓｒｔａａｐｉｔｃｏｄｎｔｓｉｏｔｉｅ，ｎｅｈｔｕｔｒｅｌｎｄ１ｕｆｅｏｔｅｏｄｏｔｌｌｎｉｃｅｅｄｔｏｎｏｒｉａｅｓｂａｎｄａｄｇｔｅｓｒｃｕｅｏｔｓｍｏｅ．ａｆｈｃｔｆｈｅ

本期主题：“——二次光学设计对于LED户外照明环境的重要性”——LED照明中非成像光学设计浅析

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D E S IG N F O R O U TD o o R S L E D
L IG H TIN G
本期特邀嘉宾：复旦大学电光源系陈大华教授河南工业职业技术学院高级工程师
、
副教授霍大勇
维普资讯
ＬＤＥ照明中非成像光学设计浅析
文／大华陈
光板又称为复眼透镜，它由一系列园柱
面组成，每个柱面相当于一个透镜，在
柱面母线方向上，光线保持原入射的方
向，而在柱面非母线方向上，透镜的作用使各个方向上都有汇聚或发散作用，
摘要：本文探讨了ＬＤ照明系统中，非成像光学设计的重要性、基本原从而实现扩展光束角的目的。Ｅ理、作用和常用的方法，以及非成像光学设计中运用较多的透镜，非球面反
用，我们必须根据不同的应用场合和需面反射镜和折光板。透镜能使点光源发（导）９５２博。１６年月毕业于复旦大学物理
求，针对ＬＤＥ光源的特性进行二次光学设出的光线汇聚或发散，起到改变光束角系，工作于电光源研究所至今。曾在留校
照度随出射角的增大而迅速衰减。显然起到关键的决定作用。这样的光源特性是很难满足户外照明用在ＬＤ明系统的非成像光学设计Ｅ照
陈大华（９３１浙江宁波）授１４．一，教
和上游产业发展的大好契机。目
途的实际需求。因此在ＬＤ外照明应中，基本的光学元件主要有透镜、非球Ｅ户

二次光学课程设计

二次光学课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解二次光学的基本概念，掌握二次光学元件的工作原理；2. 学会分析二次光学系统中的光路，能运用相关公式计算光学元件的成像特性；3. 掌握二次光学元件在光电设备中的应用，了解其在现代科技领域的重要性。

技能目标：1. 能够运用几何光学原理分析二次光学元件的成像过程，具备一定的光路设计能力；2. 能够通过实际操作，搭建简单的二次光学系统，并调整优化系统性能；3. 能够运用所学知识，解决实际问题，具备初步的光学创新能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对光学科学的兴趣，激发学生探索光学领域的精神；2. 增强学生的团队合作意识，提高沟通与协作能力；3. 培养学生严谨、务实的科学态度，树立正确的价值观。

课程性质：本课程为高二年级物理选修课程，以二次光学为主要内容，旨在提高学生的光学知识水平，培养学生的光学设计和创新能力。

学生特点：高二学生已具备一定的物理基础，对光学有一定了解，具备一定的自主学习能力，但光学知识深度有限。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，通过启发式教学，引导学生掌握二次光学知识，提高学生的实际操作能力和创新能力。

在教学过程中，关注学生的学习成果，及时调整教学策略，确保课程目标的实现。

二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 二次光学基本概念：介绍二次光学元件的定义、分类及光学符号；理解二次光学系统中的光轴、节点、焦距等基本参数。

2. 二次光学元件原理：学习凸透镜、凹透镜、反射镜等二次光学元件的工作原理，掌握其成像特性及相关计算公式。

3. 光路分析：运用几何光学原理，分析二次光学系统中的光路，学会使用矩阵方法进行光路计算。

4. 二次光学系统设计：学习二次光学系统设计的基本原则，了解光学设计软件的使用，培养学生具备光路设计能力。

5. 实际应用：介绍二次光学元件在显微镜、望远镜、摄像头等光电设备中的应用，分析其在现代科技领域的作用。

LED二次光学设计浅析（1）-反射器设计基础理论

LED二次光学设计浅析（1）-反射器设计基础理论蓝海光学招募：光设人员，镜头装配主管，镜头销售人员有意者电话罗生：185****9889光学人生，你的精彩人生！设计概述将反射器上任意点(角度θ)接收的光源光线反射到与轴线成希望夹角α的方向上，换言之，要注定反射器上各区域将光线投射到什么方位，这是设计的第一步。

为此，需要下述数据：1.光束分布(配光)；用出射光线光强该光线与轴线夹角α表示，采用函数式或曲线图都可以；2.光源发出光线的光分布(光强分布)；采用从它发出的各条光线与轴线夹角θ表示，常用曲线表示，在近似的计算中光源的配光常用余弦分布；3.从要求的光束分布的总光通，考虑光源与反射器之间的结构限制等因素确定光源的功率。

计算中遵循光通量的守恒。

具体细节如下：1.对从光源射向四周空间的光线，要选择合适的角度间隔进行分划，见图1；2.计算在光源光分布和出射光束光分布中各个角度间隔内的立体角；3.采用光通增量=光强×立体角增量的公式计算各问隔内的光通，其中光强由光源光分布和出射光束光分布中提供，往往取间隔角度的中值角上的值；4.找出光源能提供的光通和光束中需要的光通之差值，得到折换系数，统一二者的差异；5.找出光源在某个θ角间隔内能提供的光通正好和光束在某个α角间隔内需要光通相一致的对应关系，即××θ角内的光线射到××α角中去的θ～α关系。

根据θ～α的关系，求出反射器曲面形状，这是计算反射器的第二步。

其中包括：1.用公式计算光源光线间隔角度中反射面与轴线夹角β；2.列表写出光源光线间隔角度θ和β角的正切值；3.以光源置放点为原点，光轴(对称轴)为x轴，写出从光源发出的各光线间隔角度上光线的方程：y=tgθx；4.设反射器起始于第一点的坐标是x0y0，它的斜率为tgβ0，则反射器上第一段的折线方程为：y-y0=(x-x0)tgβ；5.计算该线段与下一个光线间隔角度的交点x1y1，即解下述方程组：y1-y0=(x1-x0)tgβ0y1=tgθx16.重复过程5，计算下一个点，不同的是将x1y1的值作为x0，y0来处理，β0与tgθ另取新的值；7.完成上述全过程就可得到—个需要的反射器曲线。

基于LED大功率扩展光源的二次光学设计

基于LED大功率扩展光源的二次光学设计【摘要】在目前的低碳环境下，LED照明光源逐步替代传统光源，但是由于其本身结构和自身特点，要进行高效的光能利用与照明，必须进行适当的光学设计以便改善光能分布。

笔者首先阐述了LED的光学特性及二次光学设计，其次对LED大功率扩展光源的二次光学设计进行了深入探讨。

【关键词】LED照明;扩展光源;光学设计Abstract：In the current low carbon environment，LED lighting light source gradually replace the traditional light source，but because of its own characteristics and structure，which carry out efficient energy utilization and lighting，must be proper optical design so as to improve the light energy distribution.The author first expounds the optical properties of leds and the secondary optical design，secondly for high power LED light source expanding secondary optical design has carried on the deep discussion.Keywords：LED lighting;extended light source;optical design随着科技生产力的快速发展，能源的消耗量日益提升，为了节约能源，实现绿色和谐的生产、生活方式及社会的可持续发展，全世界正在向低碳时代转型。

同样，只要能省电，照明也可以是低碳的。

LED二次光学设计浅析（2）-透镜设计

LED⼆次光学设计浅析（2）-透镜设计⼀、概论：1．全透明反射棱镜的特点LED全透明反射棱镜能分配LED在2π⽴体⾓内的光通，光通利⽤率⾼，η=85%，安装简便。

棱镜加⼯⽅便⽽且体积也很⼩，对空间的要求⼩，宜于安装在各类灯具之中。

2．前景⽬前安装LED棱镜的灯具已得到⼴泛的应⽤，像建筑照明、通⽤照明、标识照明、景观照明、交通信号灯等都已得到了很好的应⽤。

随着LED技术的不断提⾼，LED棱镜的前景也会更好。

⼆、设计⽅法：1．第⼀介⾯效率问题第⼀介⾯的效率很重要，它决定整个棱镜的光通利⽤率，因此光源光线在第⼀介⾯上的分布要合理。

如图1：β⾓为光源光通在第⼀介⾯上的半⾓分布，这部分光线在棱镜上都是⼆次折射光线，是折射次数较少的⼀部分光线，当β⾓增⼤时，光源在这部分的光通量增⼤，光通损耗少，但光线将向外偏移，将产⽣⽆⽤光通。

当β⾓减⼩时，则光源光通在这部分的光通量减少，效率减低。

另外，在ABCD圆柱体中，圆柱侧⾯将形成光的反射，当光线垂直射⼊时，根据菲涅尔公式得：ρ=2，对n1=1（空⽓），n2=n（给定材料的折射率）则公式变为ρ=2，若棱镜的折射率n=1.5,则ρ=0.04，当β减⼩时，α⾓增⼤（见图1），若α⾓⼤于60°以后，反射率剧增，将⼤⼤损耗光通，因此要根据预设配光，合理分布这部分光通。

2．全反射⾯的取得全反射⾯是分配LED光通的主要部分，所设计的棱镜是否满⾜预设的配光，主要是取决于全反射⾯的设计是否合理。

图2为全反射⾯中⼀条光线的形成过程。

设有⼀⽴体⾓为γ的环带光通，ρ为⼀条中间光线，当ρ射向两种介质的界⾯处A点时，光线进⾏第⼀次折射，光线是从光疏介质射向光密介质，进⼊光密介质的光线改变原来的传播⽅向（根据折射定律：Sin I1/Sin I2=n，其中I1为⼊射⾓，I2为折射⾓，n为折射率）。

光线经折射后到达棱镜的边缘，两种介质的界⾯处B 点，光线进⾏第⼆次折射，光线是从光密介质射向光疏介质，当B点是曲率半径为R的圆弧时，光线与圆弧形成的法线产⽣⼊射⾓I3，要使I3′成为全反射光线，I3必需⼤于临界⾓（折射⾓达到90°时，所对应的⼊射⾓叫临界⾓，根据折射定律：sinC=1/n，C为临界⾓）。

LED一次光学设计

2、使用ITO芯片，ITO（氧化铟锡）
ITO是一种透明的几型半导体薄膜 1） Eg:3.5~4.3eV 2）良好的导电性 ρ=1.10×10-3Ω.cm 3）可见光区透过率高 80% 4）化学稳定性和热稳定性良好可使电极部分的光不被完全遮档。
LED的一次光学设计
（3）透明衬底技术
通常LED的衬底用GaAs材料，但GaAs是一种吸光材料，LED 发出的光会被它吸收，降低出光效率。为此，在外延成PN结后，用腐蚀的方法GaAs衬底去除，然后在高温条件下将能透光的GaP 粘贴上去做衬底，使PN结射出光通过金属底板反射出去，提高出光效率。
光学设计结构图
LED光学设计基本元件透镜非球面反射镜一次光学设计抛物面椭球面折光板曲形折光板梯形折光板柱形折光板柱球形折光板双曲面
芯片
模粒
支架
折射式
反射式
折反射式
背向反射式正向反射式
LED的一次光学设计
• 引脚式LED的一次光学设计
模粒材料的种类
LED透镜的应用分类
LED透镜规格分类
LED的一次光学设计
（3）PC透镜 a. 光学级料Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯。 b. 塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完成）；透光率稍低（3mm厚度时穿透率 89% 左右）；缺点：温度不能超过110°（热变形温度135度）。（4）玻璃透镜光学玻璃材料，优点：具有透光率高（97%）、耐温高等特点；缺点：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。不过目前此类生产设备的价格高昂，短期内很难普及。此外玻璃较 PMMA 、PC料易碎的缺点，还需要更多的研究与探索，以现在可以实现的改良工艺来说，只能通过镀膜或钢化处理来提升玻璃的不易碎特性。

LED路灯二次光学设计

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光学面罩单元投射原理图
色片投射图形方案（两种）
色片构型方法一：塔形
方案一：塔形
方案建议图
方案二—棱柱投射
方案二-理想投射想法（1）
理想投射想法（1）
-30 -25 -20 -15 -10 -5 0 -20 2 2 2 2 2 2 2
41.86047 35.31593 35.29412
0.523685 0.488693 0.482346 0.392702 0.392418
30.00493 28.00002 27.63638 22.50018
22.4839
0.604734
34.6487
0.384047
22.00428
0.556625
0 0
18 2.282444
31 2.041032
0 0
6.5 0.824216
20 1.3167949
35 2.7233712
6 0.760815
16 1.053436
20 1.556212
10 1.268025 0.824682
11 0.724237 0.972197
11 0.855917
10.271
132 10.271
96 510.4
2.3275862