LED照明光学系统设计.pptx
《LED照明光学系统设计.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《LED照明光学系统设计.pptx(135页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第七章 LED照明光学系统设计 LED LED光学系统设计包括光学系统设计包括LEDLED发光管内的光学设计和发光管内的光学设计和LEDLED发光管外的光学设计,前者通常称为一次光学设计,而后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。者则称为二次光学设计。LED LED内通常由芯片、反射杯和透明环氧树脂制成的光内通常由芯片、反射杯和透明环氧树脂制成的光学透镜组成。学透镜组成。LDELDE芯片、反射杯和透镜的几何形状决定了芯片、反射杯和透镜的几何形状决定了LEDLED出光后的空间光强分布。出光后的空间光强分布。第1页/共135页第七章 LED照明光学系统设计 LED
2、 LED发光管外的二次光学设计主要是根据不同的实际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应用需求使LEDLED出光后的空间光强分布发生改变,即光能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。能量。因此,因此,LEDLED照明光学系统设计主要指的是照明光学系统设计主要指的是LEDLED发光外发光外的二次光学设计。的二次光学设计。第2页/共135页7.1 LED照明光学系统设计CAD软件 计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)(CAD)技术的飞速发展,使得照明光技术的飞速发展,使得照明光
3、学系统的研究方法发生了巨大的变化,这主要表现在光学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。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面有三种:第3页/共135页7.1 LED照明光学系统设计CAD软件TarceProTarcePro光学机构仿真软件、光学机构仿真软件、AASPAASP高级系统分析程序、高级系统分析程序、Lighttoo1sLighttoo1s照明系统设计软件。照明系统设计软件。在我国大陆用的较多的是在我国大陆用的较多的是TarcePro Tarce
4、Pro,而台湾地区则以,而台湾地区则以AASPAASP较为流行。较为流行。第4页/共135页7.1 LED照明光学系统设计CAD软件1.TarcePro1.TarcePro TarcePro TarcePro是是Lambda ResearchLambda Research研制的一套以符合工业研制的一套以符合工业标准的标准的AelsAels固体建模引擎为核心所发展出来的光学机构仿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、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,它可将信息转换能力强及易上手的使
5、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。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、目前,国际上在照明工程、组织光学、LEDLED设计及应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第5页/共135页7.1 LED照明光学系统设计CAD软件2.AASP2.AASP ASAP ASAP是是Breault Research organizationBreault Research organization研制的一套不研制的一套不受限制的、非序列光线追迹软件。受限制的、非序列光线追迹软件。它
6、具有对物理光学、成像系统和照明系统进行建模分它具有对物理光学、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。者对几何模型、光线追迹、分析结果进行三维演示。AASPAASP还可以分析散射、衍射、反射、折射、吸收、偏振、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。非序列光线追迹和高斯光束传播。第6页/共135页7.1 LED照明光学系统设计CAD软件3.Lighttools 3.Lighttools LighttoolsLighttools
7、是是optioptic cal al ResearResearc ch h AssoAssoc ciatesiates研制的一套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、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、机反射镜、分束器、衍射光学元件、棱镜、机械结构以及光械结构以及光路。路。第7页/共135页7.1 LED照明光学系统设计CAD软件3.Lighttoo1s 3.Lighttoo1s 由于由于LighttoolsLighttoo
8、ls把光学和机械元件集合在统一的体系下把光学和机械元件集合在统一的体系下处理,并配有处理,并配有“放置放置”光源、发射光线的非序列追迹强大光源、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术交流和数据交换、课题论证或产品推广等各环节中发挥重要的作用。重要的作用。第8页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理1.1.LEDLED照明光学系统的成照明光学系统的成
9、LED LED照明光学系统属于非成像光学系统,必须考虑物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。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。需要照亮的往往是一个立体空间。第9页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理1.1.LEDLED照明光学系统的构成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
10、光线到相应的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。质量进行评价。第10页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理1.1.LEDLED照明光学系统的构成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
11、法,价方法,因此一般来说照明光学系统包括因此一般来说照明光学系统包括:光源、光学系统、光源、光学系统、照明平面照明平面。第11页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理2.LED2.LED照明光学系统照明光学系统光线追迹方法光线追迹方法 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。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。上产生的光照度分布是十分必要的。第12页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理2.LED2.LED照
12、明光学系统照明光学系统光线追迹方法光线追迹方法 常用的计算光照度的方法是,用一个二维阵列把目标常用的计算光照度的方法是,用一个二维阵列把目标面分成许多小的区域,光线从光源的不同点发射出来,通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。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。度分布。第13页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理2.LED2.L
13、ED照明光学系统照明光学系统光线追迹方法光线追迹方法 光线在光线在LEDLED照明照明光学系统内的传播遵循几何光学的反光学系统内的传播遵循几何光学的反射定律和折射定律。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:追迹分为两类:序列光线追迹序列光线追迹非序列光线追迹非序列光线追迹第14页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理2.LED2.LED照明光学系统照明光学系统光线追迹方法光线追迹方法(1 1).序列光线追迹序列光线追迹 序列光线追迹主要应用于成像光学系统,序列光线追迹主要应用于成像光学系统,如如op
14、tical optical Research AssociatesResearch Associates研制的大型光学软件研制的大型光学软件CODE VCODE V。成像光学系统如照相机、望远镜等通常采用序列光线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。追迹来设计。第15页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理2.LED2.LED照明光学系统照明光学系统光线追迹方法光线追迹方法(1 1).序列光线追迹序列光线追迹 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的顺序都是已知
15、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,直至最后入射到系统的镜的前表面,然后入射到后表面,直至最后入射到系统的像平面。像平面。第16页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理2.LED2.LED照明光学系统照明光学系统光线追迹方法光线追迹方法(1 1).序列光线追迹序列光线追迹 序列光线追迹相对于非序列光线追迹来说,它比较直序列光线追迹相对于非序列光线追迹来说,它比较直观,每一条所追迹的光线通过系统各个表面的顺序是既定观,每一条所追迹的光线通过系统各个表面的顺序是既定的。的。因此在成像光学系统中,通常只需要计算几条光线就因此在成像光学系统中,通常只需要计算几条
16、光线就可以确定整个光学系统的性能。可以确定整个光学系统的性能。第17页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理2.LED2.LED照明光学系统照明光学系统光线追迹方法光线追迹方法(2 2).非序列光线追迹非序列光线追迹 非非序列光线追迹序列光线追迹主要应用于非成像光学系统,如照明主要应用于非成像光学系统,如照明光学系统、投影光学系统、组织光学等。光学系统、投影光学系统、组织光学等。相应的设计软件有前面所说的相应的设计软件有前面所说的TraceProTracePro、LighttoolsLighttools以以及及ASAPASAP,这三种软件基本上代表了目前国际上非成像光,这三种软件基本
17、上代表了目前国际上非成像光学系统设计的水平。学系统设计的水平。第18页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理2.LED2.LED照明光学系统照明光学系统光线追迹方法光线追迹方法(2 2).非序列光线追迹非序列光线追迹 在非序列光线追迹中,光线与系统中各个界面相交的在非序列光线追迹中,光线与系统中各个界面相交的顺序是未知的。顺序是未知的。从从LEDLED芯片发出的光在出射时的位置、方向都是未知芯片发出的光在出射时的位置、方向都是未知的,因此的,因此L LE ED D照明照明光学系统的设计都需要追迹大量的光线光学系统的设计都需要追迹大量的光线来达到光学系统性能分析的准确性。来达到光学系统
18、性能分析的准确性。第19页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理2.LED2.LED照明光学系统照明光学系统光线追迹方法光线追迹方法(2 2).非序列光线追迹非序列光线追迹 与序列光线追迹不同的是,非序列光线追迹分析需要与序列光线追迹不同的是,非序列光线追迹分析需要大量的光源发出的按一定空间光强分布的随机光线,这些大量的光源发出的按一定空间光强分布的随机光线,这些随机出射光线的位置、方向以及行进过程中与各界面所产随机出射光线的位置、方向以及行进过程中与各界面所产生的反射、折射、散射、吸收都需要用蒙特卡罗生的反射、折射、散射、吸收都需要用蒙特卡罗(Monte(Monte Carlo)C
19、arlo)方法来模拟。方法来模拟。第20页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理3.LED3.LED照明光学系统照明光学系统设计原理设计原理(1 1)光源设计方法)光源设计方法 在照明光学系统中引入计算机模拟,光源可以用光线在照明光学系统中引入计算机模拟,光源可以用光线数量数量(单位立体角内单位立体角内)、光线长度、光线方向矢量和光线与、光线长度、光线方向矢量和光线与光轴的夹角来表示。光轴的夹角来表示。第21页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理3.LED3.LED照明光学系统照明光学系统设计方法设计方法(2 2)光学系统光学系统设计方法设计方法 光学系统用来重新分配光源
20、光通量在空间的分布,光光学系统用来重新分配光源光通量在空间的分布,光源发出的光线通过光学系统后在照明平面上产生特定分布。源发出的光线通过光学系统后在照明平面上产生特定分布。照明光学系统由于对像差要求不高,所以一般只需校正球照明光学系统由于对像差要求不高,所以一般只需校正球差,一般把最后一个面设计成非球面,来减少和校正系统差,一般把最后一个面设计成非球面,来减少和校正系统球差。球差。第22页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理3.LED3.LED照明光学系统照明光学系统设计方法设计方法(3 3)照明平面照明平面设计方法设计方法 用户对照明平面提出一定的要求,设计者通过光源的用户对照明
21、平面提出一定的要求,设计者通过光源的选定和光学系统的设计来达到要求。这是一个反复比较、选定和光学系统的设计来达到要求。这是一个反复比较、反复修改的过程,计算光源发出的光线通过光学系统后在反复修改的过程,计算光源发出的光线通过光学系统后在目标面上产生的照度分布,然后与用户要求的照度分布相目标面上产生的照度分布,然后与用户要求的照度分布相对照,根据比较结果来修改光学系统。对照,根据比较结果来修改光学系统。第23页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理4.LED4.LED照明光学系统照明光学系统设计的步骤设计的步骤 基于基于LEDLED照明光学系统照明光学系统设计方法,设计方法,结合照明设
22、计软件结合照明设计软件ASAPASAP,一般按下面的步骤来进行,一般按下面的步骤来进行LEDLED照明的设计照明的设计:(1)(1)确定确定LEDLED光源数目,设计光源数目,设计LEDLED光源形状光源形状;(2)(2)加反射器或折射器,放置光源在合适的位置加反射器或折射器,放置光源在合适的位置;(3)(3)进行照明计算,包括被照面上光照度的计算,空间各点光进行照明计算,包括被照面上光照度的计算,空间各点光强的计算和总的光通量的计算等强的计算和总的光通量的计算等;第24页/共135页7.2 LED照明光学系统的设计原理3.LED3.LED照明光学系统照明光学系统设计的步骤设计的步骤(4)(4
23、)检查灯具的配光中的各项参数是否满足预定要求检查灯具的配光中的各项参数是否满足预定要求;(5)(5)如未达到设计要求,针对配光曲线中尚未满足的部分,再如未达到设计要求,针对配光曲线中尚未满足的部分,再次进行计算,反复修改。次进行计算,反复修改。软件可以帮助设计人员节省时间,使设计工作更加精软件可以帮助设计人员节省时间,使设计工作更加精确、完整,表达方式更加直观,产品更加美观,节省投资。确、完整,表达方式更加直观,产品更加美观,节省投资。第25页/共135页7.3 LED照明数据与计算 LED LED照明光学系统设计的主要任务之一是选择具有合照明光学系统设计的主要任务之一是选择具有合适光分布的照
24、明器并进行合理的布置,以使得照明场所获适光分布的照明器并进行合理的布置,以使得照明场所获得符合要求的亮度分布。实际的照明装置包含许多照明器得符合要求的亮度分布。实际的照明装置包含许多照明器的反射表面,光的传递过程是相当复杂的,所以需要进行的反射表面,光的传递过程是相当复杂的,所以需要进行比较复杂的计算才能确定场所的亮度分布。比较复杂的计算才能确定场所的亮度分布。第26页/共135页7.3 LED照明数据与计算 由于照度的计算和测量比较容易,现行照明标准也用由于照度的计算和测量比较容易,现行照明标准也用照度值来规定工作面的照明数值,而且当被照表面的反射照度值来规定工作面的照明数值,而且当被照表面
25、的反射特性一定,特别是在大多数场合下这种反射是一种漫反射特性一定,特别是在大多数场合下这种反射是一种漫反射时,其亮度取决于单位面积入射光通量即照度。时,其亮度取决于单位面积入射光通量即照度。所以在设计中,照明计算主要是包括两个方面所以在设计中,照明计算主要是包括两个方面:第27页/共135页7.3 LED照明数据与计算一个是照度的计算,只在一些特殊的场合下需要计算某些一个是照度的计算,只在一些特殊的场合下需要计算某些表面的亮度,以检验照明环境的照明质量表面的亮度,以检验照明环境的照明质量;另外一个是光通量的计算,通过分别计算另外一个是光通量的计算,通过分别计算LEDLED灯具的光通灯具的光通量
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- LED 照明 光学系统 设计
限制150内