LED照明光学系统设计..
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
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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
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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
LED照明系统的光学设计与照明控制
LED照明系统的光学设计与照明控制随着科技的不断发展，LED（Light Emitting Diode）照明系统越来越被广泛应用于室内和室外照明领域，具有低能耗、长寿命、环保等优势。
然而，要充分发挥LED照明系统的优势，光学设计和照明控制是至关重要的。
本文将重点介绍LED照明系统的光学设计和照明控制原理，并探讨其在实际应用中的重要性和挑战。
一、LED照明系统的光学设计LED照明系统的光学设计是指对光源的控制和引导，以实现预期的照明效果。
在LED照明系统中，光源是LED芯片，其发光特性和光线分布决定了照明效果的质量和可靠性。
1. 发光特性LED芯片的发光特性包括色温、发光效率、发光角度等。
色温是指光源经过加热后的颜色特性，常用的单位是开尔文（K）。
选择合适的色温可以调整照明系统的色彩和氛围，满足不同场景的需求。
发光效率是指LED芯片将电能转化为光能的效率，高效率的LED芯片可降低能耗和热量产生，延长照明系统的使用寿命。
发光角度是指LED光线的发射方向范围，不同角度的发光角度可以实现不同的照明效果，如聚光、泛光等。
2. 光线分布LED芯片发出的光线需要经过透镜和反射器等光学器件的控制和引导，才能达到预期的照明效果。
透镜是一种能够将光线聚焦或分散的光学器件，通过改变透镜的曲率和形状，可以实现光线的控制和调整。
反射器则是一种能够将光线反射或折射的光学器件，通过反射器的设计和安装，可以改变光线的方向和强度，实现特定的照明要求。
二、LED照明系统的照明控制LED照明系统的照明控制是指通过智能设备和系统，对照明效果进行调节和管理。
照明控制技术可以实现灯光亮度、色温、颜色等参数的调整，满足不同使用场景的需求，并提供舒适的照明环境。
1. 灯光亮度调节灯光亮度调节是照明控制中最基本的功能之一。
通过调整LED芯片的驱动电流或使用调光器等装置，可以实现灯光的亮度调节。
对于不同的使用场景，如办公室、餐厅、剧院等，可以根据需求调节灯光的亮度，提供舒适的视觉体验。
LED照明光学系统的设计及其阵列光照度分布研究
LED照明光学系统的设计及其阵列光照度分布探究近年来，随着LED（Light-Emitting Diode）照明技术的进步，LED灯具逐渐取代传统的照明设备成为主流。
与传统照明设备相比，LED具有更高的能效、更长的寿命、更好的颜色还原性等优势。
然而，灯具设计中的光学系统是决定光照效果的关键因素之一。
因此，本文将对LED照明光学系统的设计以及阵列光照度分布进行探究。
起首，设计一个高效的LED照明光学系统是至关重要的。
光学系统由模拟的透镜、反射器等光学器件组成，其目标是将LED的发光效果优化为所需的光照分布。
透镜的选择对光学系统的性能有着重要的影响。
透镜可以依据光线的特性和要求进行选择，如切割角度和表面外形等。
此外，光线的反射也是设计光学系统时需要思量的因素之一。
通过在透镜四周放置反射器，可以提高反射效果，进一步优化光照效果。
其次，对LED灯具的阵列光照度分布进行探究也是分外重要的。
在LED灯具的设计中，阵列光照度分布是指在特定的区域内，各个LED点光源的光照度的分布状况。
为了实现匀称的光照效果，需要依据应用需求来确定光照度的要求，并对光源进行合理的布局。
在确定光源布局时，需要思量区域的大小、外形、高度等因素，以及对于不同区域的不同要求。
依据这些因素，可以通过数学模型和光学仿真软件来进行优化计算，从而得到最佳的光照度分布。
在进行LED照明光学系统的设计和阵列光照度分布探究时，需要综合思量多个因素。
起首是确保灯具具有高效的光利用率，光线尽可能被有效地引导和利用。
其次是要思量光的方向性，合理调整透镜参数和反射器设计，使光线的散射角度适中，不会出现过于集中或过于分离的现象。
同时，还需要思量产生的热量对LED光效的影响，在设计过程中合理选择散热材料来降低热耗损。
此外，还可以借助光学仿真软件进行光学系统仿真，优化设计结果。
通过这些手段，可以制定出合理的设计方案，使LED照明光学系统具有良好的光照度和能效。
总之，LED照明光学系统的设计及其阵列光照度分布的探究对于优化LED灯具的光照效果至关重要。
LED照明系统的配光设计考核试卷
B.使用高效的LED芯片
C.提高散热性能
D.增加LED数量
5.以下哪些因素会影响LED照明产品的寿命？（）
A.驱动电流
B.环境温度
C.光学系统设计
D. LED的使用时间
6.在LED照明系统中，以下哪些配光方式可以用于商业照明？（）
A.直接照明
B.间接照明
C.半间接照明
D.混合照明
7.以下哪些软件可以用于LED照明系统的配光设计？（）
A.锥形分布
B.椭圆形分布
C.圆形分布
D.双峰分布
5.以下哪个因素不会影响LED的光效？（）
A.驱动电流
B.热阻
C.光学系统设计
D. LED颜色
6.在LED照明系统中，以下哪种配光设计适用于道路照明？（）
A.面光源配光
B.线光源配光
C.点光源配光
D.环形光源配光
7.以下哪个元件在LED照明系统中用于改变光束方向？（）
A.光学设计
B. LED封装
C.灯具材质
D.环境湿度
17.以下哪些方法可以提高LED照明系统的可靠性？（）
A.优化电路设计
B.使用高品质的LED芯片
C.提高散热性能
D.增加保护电路
18.在LED照明系统中，以下哪些设计可以减少光污染？（）
A.限制光源亮度
B.使用防眩光设计
C.控制光束角度
D.使用低色温光源
A.节能
B.高效
C.短寿命
D.环保
2.下列哪种色温的LED适合用于阅读照明？（）
A. 2000K
B. 3000K
C. 4000K
D. 6000K
3.在配光设计中，以下哪个单位用于描述光束角度？（）
LED照明光学系统设计
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§7.2 LED照明光学系统的设计原理
3. LED照明光学系统设计方法 （3）照明平面设计方法
序列光线追迹主要应用于成像光学系统，如optical Research Associates研制的大型光学软件CODE V。
成像光学系统如照相机、望远镜等通常采用序列光线 追迹来设计。
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§7.2 LED照明光学系统的设计原理
2. LED照明光学系统光线追迹方法 （1）. 序列光线追迹
§7.3 LED照明数据与计算
一. 计算照明系统在被照面上产生的照度 照度的计算方法通常有:
利用系数法、 概算曲线法、 比率法、 逐点计算法。
第29页/共1Biblioteka 5页§7.3 LED照明数据与计算
一. 计算照明系统在被照面上产生的照度 逐点计算法是指逐一计算照明器对照度计算点的点照
度，然后进行叠加，得到其总照度的计算方法。 所谓点照度就是入射到包含这点的面元上的光通量与
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§7.2 LED照明光学系统的设计原理
3. LED照明光学系统设计原理 （1）光源设计方法
在照明光学系统中引入计算机模拟，光源可以用光线 数量(单位立体角内)、光线长度、光线方向矢量和光线与 光轴的夹角来表示。
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§7.2 LED照明光学系统的设计原理
3. LED照明光学系统设计方法 （2）光学系统设计方法
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§7.2 LED照明光学系统的设计原理
紫外LED曝光机光学系统设计
紫外LED曝光机光学系统设计传统的紫外曝光机使用高压汞灯作为光源，高压汞灯使用寿命短、光效低，汞金届对环境也存在污染，而且汞灯尺寸大，相印地，曝光机体积也大。
得益于GaNft 长技术发展成熟和紫外LED芯片质量的提高,目前紫外LED芯片已取代高压汞灯作为紫外曝光机的光源。
使用紫外LED芯片作为光源，根据LED芯片的发光强度，设计光学系统，可以使出射光准直，照明均匀性好，提高曝光机光源的寿命，发热少，节能，环保。
随着精密加工、线路制作对曝光精度要求的日益提高，曝光机对其光学系统所出射的平行光的发散角的要求也越来越高。
本论文的研究目的是设计出一种紫外LED曝光机光学系统，其技术指标为：紫外光波长365 nm，出射光发散角小于1o,接收面板上的光照均匀性大于90%，接收面上辐照度高于1 mW/cm~2光斑直径10cm。
本文以非成像光学理论为基础，通过设计光学系统，使出射光达到设计要求。
设计工作主要包括以下四个步骤：1、设计光学系统模型，构建整体框架，根据设计思路确定系统中使用哪些光学元件，以及每个光学元件在系统中的实现的功能;2、根据第一步中每个光学元件的功能，来计算透镜的曲面参数，使其能满足设计要求;3、根据计算结果在LightTools光学软件中构建光学系统模型，进行软件仿真，得到光强和辐射照度的输出结果；4、查看LightTools软件仿真输出结果，根据仿真结果，对可以改进的地方重新进行计算，使模型优化。
将重新计算出的自由曲面参数导入LightTools光学软件中，构建新的光学系统模型，再次进行软件仿真，查看强度图和照度图的仿真结果，与之前的仿真结果对比，查看光学系统是否得到优化。
该设计的难点是如何使得出射光发散角小于1o。
根据设计技术指标，考虑到曝光区域直径10cm,先后设计了四种光学系统。
在设计过程中发现，光源的尺寸，即非理想点光源特征，对出射光发散角有重要影响，要调高出射光的准直性，需要尽可能减小光源尺寸。
实现小发散角矩形光束的l ed光学系统设计
实现小发散角矩形光束的l ed光学系统设计小发散角矩形光束的 LED 光学系统设计需要考虑以下几个方面：
1. LED 的选择：选择具有较大辐射角度（即光束发散角度）的LED，如90度或120度的，以确保发射的光可以较为均匀地照射到需要的区域。
2. 光学透镜设计：为了控制光束的发散角度，需要设计合适的光学透镜。
例如，可以使用椭圆柱面透镜设计光学系统，该透镜能够使得光束在一个方向上具有较小的发散角度，而在另一个方向上发散角度较大。
3. 透镜的组合：可以将两个或多个光学透镜组合以获得更好的控制光束发散角度的效果。
例如，可以使用一个椭圆柱面透镜作为首个透镜，将发散角度较大的光束发射成发散角度较小的光束；然后使用一个反射镜或二次透镜将该光束反射或折射成矩形光束形状。
4. 光束的调节：为了确保光束能够精准的照射到需要的区域，可以使用调节光束方向的模块，如角度调节器或移动式组件。
总体来说，小发散角矩形光束的 LED 光学系统的设计需要结合光学透镜、光学元件和调节器等多个方面进行优化，以确保系统的可控性和准确性。
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。
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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:
重要的作用。
§7.2 LED照明光学系统的设计原理
1. LED照明光学系统的成 LED照明光学系统属于非成像光学系统，必须考虑物 方空间的亮度分布，光源的形状以及象方亮度分布特性。 成像光学系统在像方一般是成一个平面像，照明光学系统 需要照亮的往往是一个立体空间。
§7.2 LED照明光学系统的设计原理
（1）. 序列光线追迹
TarcePro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。
目前，国际上在照明工程、组织光学、LED设计及应 用等众多领域中已经大量采用该软件进行计算机辅助设计
§7.2 LED照明光学系统的设计原理
2. LED照明光学系统光线追迹方法
（1）. 序列光线追迹
序列光线追迹的光线入射到系统中的每一个光学表面
的顺序都是已知的，即光线必须首先入射到系统第一个透
镜的前表面，然后入射到后表面，ห้องสมุดไป่ตู้至最后入射到系统的
像平面。
§7.2 LED照明光学系统的设计原理
2. LED照明光学系统光线追迹方法
§7.1 LED照明光学系统设计CAD软件
3. Lighttoo1s
由于Lighttools把光学和机械元件集合在统一的体系下 处理，并配有“放置”光源、发射光线的非序列追迹强大 功能，使它在系统初步设计、复杂系统设计规划、光机一
体设计、杂光分析、照明系统设计分析、单位各部门间学
术交流和数据交换、课题论证或产品推广等各环节中发挥
§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。
§7.1 LED照明光学系统设计CAD软件
1. TarcePro
§7.2 LED照明光学系统的设计原理
2. LED照明光学系统光线追迹方法
对绝大多数照明光学系统来说，对照明面的要求多是 光照度的要求。 因此，计算光源发出的光线通过光学系统后在照明面 上产生的光照度分布是十分必要的。
§7.2 LED照明光学系统的设计原理
2. LED照明光学系统光线追迹方法
常用的计算光照度的方法是，用一个二维阵列把目标
1. LED照明光学系统的构成 成像光学系统的物象空间有点对称的共扼关系，故可 以在视场中心和边缘选取几个抽样点，追迹光线到相应的 像点，用垂轴像差、点列图或光学传递函数对系统的成像 质量进行评价。
§7.2 LED照明光学系统的设计原理
1. LED照明光学系统的构成 而照明光学系统没有物象共扼关系，照明区域中任意 一点的照度都是由光源上许多点发出的光能，通过照明系 统分配后叠加形成的，故而无法套用成像系统的分析和评 价方法， 因此一般来说照明光学系统包括:光源、光学系统、 照明平面。
• 序列光线追迹 • 非序列光线追迹
§7.2 LED照明光学系统的设计原理
2. LED照明光学系统光线追迹方法 （1）. 序列光线追迹 序列光线追迹主要应用于成像光学系统，如optical Research Associates研制的大型光学软件CODE V。 成像光学系统如照相机、望远镜等通常采用序列光线 追迹来设计。
面分成许多小的区域，光线从光源的不同点发射出来，通
过光学系统后投射到目标面上，即光线追迹。
在目标面的每一个小区域内都能接收到一定数量的光
线，通过每个光线数目的多少来确定整个照明面上的光照 度分布。
§7.2 LED照明光学系统的设计原理
2. LED照明光学系统光线追迹方法 光线在LED照明光学系统内的传播遵循几何光学的反 射定律和折射定律。 根据光线在光学系统内的传播方式的不同，通常光线 追迹分为两类：
§7.1 LED照明光学系统设计CAD软件
2. AASP ASAP是Breault Research organization研制的一套不 受限制的、非序列光线追迹软件。 它具有对物理光学、成像系统和照明系统进行建模分 析的强大功能，它的图形工具允许用户进行截面分析，或 者对几何模型、光线追迹、分析结果进行三维演示。 AASP还可以分析散射、衍射、反射、折射、吸收、偏振 、非序列光线追迹和高斯光束传播。
§7.1 LED照明光学系统设计CAD软件
3. Lighttools Lighttools是optical Research Associates研制的一套 全新的具有光学精度的交互式三维实体建模软件体系，它 提供最现代化的手段直接描述光学系统中的光源、透镜、 反射镜、分束器、衍射光学元件、棱镜、机械结构以及光 路。
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。