LED一次光学设计
LED照明系统的光学设计优化
LED照明系统的光学设计优化随着科技的不断进步和生产制造水平的提高，LED照明系统已经逐渐成为人们生活中不可缺少的一种照明方式。
相较于传统的照明灯，LED灯具在光效、寿命和环保方面等诸多方面都表现出独特的优势。
但是，作为一种新型照明设备，LED 灯具也存在一些问题，其中最为显著的就是光学设计的问题。
面对这些问题，如何进行光学设计优化，是当前LED照明系统研究和生产中亟待解决的问题。
一、LED照明系统的基本原理LED灯是由LED芯片和光学器件组成的照明设备，其基本原理是将电能转化为光能。
以直观的方式来理解，LED灯采用通过芯片内的半导体材料注入电流，使其经过一系列减光、聚光、反射等处理后，发出一定的光线，并经过透镜等装置扩散或聚拢所需要的照度和光束角度。
二、LED照明系统的优点相较于传统照明灯，LED照明系统在光效、寿命和环保方面有很大的优势。
1、光效更高：LED灯在同等功率下，所消耗的电能比其他照明灯更少，同时LED灯产生的光学效率也更高。
2、寿命更长：LED灯寿命长，一般能够使用至少10年以上。
相较于普通灯泡的寿命，LED灯小幅度调整光强都不会导致寿命缩短。
3、环保节能：LED灯对环境污染小，没有汞、铅等有害物质。
LED灯节能，相较于传统照明灯在节能方面具有极大的优势。
三、LED照明系统的主要问题尽管LED灯具有很多优点，但它们还是存在一些问题。
其中最为显著的就是光学设计的问题。
1、光学效率低：由于LED芯片只能向前放射光线，因此其光学效率较低。
为了使其能够扩散和聚光，LED灯需要一定的光学器件来加工和处理。
2、光色和光温性能差：LED灯的光色和光温是由它的发热量和反射角度决定的。
因此，如果不加以处理，会导致LED灯的光色和光温不稳定，而且会存在颜色偏差。
3、折射角度范围小：由于LED芯片的尺寸较小，因此LED光束的折射角度相比传统照明灯更小，难以实现不同光角度下的温和光效。
4、光强和照度不均：如果没有进行设计，LED灯的光强和照度会存在差异，这将直接影响LED灯的亮度和照明效果。
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
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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
LED汽车灯具结构设计及光学设计浅谈
LED汽车灯具结构设计及光学设计浅谈随着汽车技术的不断发展，LED汽车灯具已经逐渐成为汽车照明的主流产品。
LED灯具具有高亮度、高效率、长寿命等优点，因此备受汽车制造商和消费者的青睐。
LED汽车灯具的设计涉及到灯具的结构和光学设计，下面就结构设计及光学设计进行一些浅谈。
一、结构设计LED汽车灯具的结构设计主要包括灯具的外形、散热结构、耐久性与防护等方面。
对于LED汽车灯具而言，外形设计既要满足美观性，又要兼顾安全性和实用性。
由于LED本身对温度敏感，因此散热结构的设计也至关重要。
对于大功率LED灯具而言，好的散热结构可以保证LED长期稳定工作。
汽车灯具要能够承受汽车行驶过程中的颠簸和振动，因此耐久性与防护也是结构设计的重要考量因素。
在LED汽车灯具的结构设计中，材料的选择也是非常重要的。
首先是LED芯片的封装材料，要选择具有良好的导热性和光透性的材料。
灯具外壳要选择经久耐用的工程塑料或铝合金等材料。
密封胶和导热硅脂的选择也会影响到LED灯具的性能和寿命。
二、光学设计LED汽车灯具的光学设计是指如何将LED发出的光线进行合理的控制和分配，以满足汽车行驶时的照明需求，并且避免对其他路人和车辆造成干扰和眩光。
LED汽车灯具的光学设计主要包括反射器、透镜和光束调控器等部件的设计。
反射器是用来将LED发出的散射光聚集并方向性发射出去的部件。
对于车灯来说，良好的反射器设计可以提高光束的亮度和均匀性。
透镜主要用来对聚光或者分散光束进行控制，使得光线可以精确地打在需要的地方。
光束调控器可以对光束的形状和方向进行调节，从而满足不同道路条件和驾驶需求。
在LED汽车灯具的光学设计中，还需要考虑到光束的照度分布、光束形状、光束方向等因素。
通过合理的光学设计可以实现照明的均匀性和清晰度，提高行车安全性和舒适性。
LED汽车灯具的结构设计和光学设计是相辅相成的。
结构设计可以保证LED灯具的稳定性和耐久性，而光学设计可以保证LED灯具的高效照明性能。
LED一次光学设计演示教学
光学设计结构图
LED光学设计基本元件
透镜
一次光学设计
抛物面
非球面反射镜 椭球面
透镜的光学分析：影响出光角度，一般说透镜角度大出光角度大，透镜角度小 出光角度小。 硅胶和透镜的形状：影响到封装后的光强分布曲线以及出光量的多少
软件模拟与实际对比
LED的一次光学设计
3、LED反射杯规格分类
（1）折射式
特点：
1、当LED光线经过透镜时光线会发生折射 而聚光，而且当调整透镜与LED之间的距 离时角度也会变化（角度与距离成反比） ，经过光学设计的透镜光斑将会非常均匀 ，但由于透镜直径和透镜模式的限制， LED的光利用率不高及光斑边缘有比较明 显的黄边； 2、聚光面包含的立体角有限，约70%-80% 的白光从侧面泄露，发光效率低。 3、提高出光率方法：增加反光杯面积， 收集侧面光线。 4、聚光方法：增加透镜曲率。 5、一般应用在大角度（50°以上）的聚 光，如台灯、吧灯等室内照明灯具。
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汽车灯具结构设计及光学设计浅谈
LED汽车灯具结构设计及光学设计浅谈1. 引言1.1 LED汽车灯具结构设计及光学设计浅谈LED汽车灯具作为汽车外观设计中的重要组成部分，其结构设计及光学设计至关重要。
结构设计要点包括灯壳材料、散热设计、密封性能等方面，这些因素直接影响灯具的外观、使用寿命和安全性。
而光学设计原理则涉及LED光源的选用、聚光、光束控制等，影响着灯具的光照效果和能耗。
光学设计参数和要求则包括光束形状、光强分布、照度均匀性等，这些参数决定了灯具的照明效果。
在设计过程中需注意的问题包括光学部件的选择、热效应对光学性能的影响等，综合考虑才能设计出性能优异的LED汽车灯具。
实际应用中的效果评价则需要考虑照明效果、防眩目性能、节能效果等方面，从用户体验和安全性角度评价灯具的实际效果。
LED汽车灯具结构设计和光学设计的重要性不言而喻，未来的发展方向则是更加注重绿色环保、智能化和个性化，致力于打造更加优质的汽车照明系统。
2. 正文2.1 LED汽车灯具的结构设计要点1. 散热设计：LED灯具在工作时会产生一定的热量，如果散热不好，会影响LED的使用寿命和光效。
灯具的结构设计需要考虑如何有效散热，通常会采用铝合金散热片或风扇散热等方式。
2. 防水设计：汽车在使用过程中会遇到各种恶劣的天气条件，因此LED汽车灯具需要具备一定的防水性能，以确保灯具在雨天或泥泞的道路上能正常工作。
3. 色温和色rendering 要求：LED灯具的色温和色rendering 对于汽车驾驶员的视觉体验至关重要。
结构设计需要考虑如何保证LED的色温稳定和色rendering 良好，以确保灯具的光照效果符合标准要求。
4. 灯具形状设计：LED汽车灯具的形状设计需要考虑到安装位置和美观性。
要确保灯具可以灵活安装在车辆的不同位置，并且外形设计符合汽车整体造型，增加车辆的美感。
5. 维修和更换便捷性：LED灯具作为汽车零部件的一部分，需要考虑到维修和更换的便捷性。
大功率LED照明系统的光学设计研究
大功率LED照明系统的光学设计研究随着科技的不断发展和人们生活水平的不断提高，人们对于照明设备的要求也越来越高。
传统的白炽灯和荧光灯已经逐渐被LED照明系统所替代，而其中的大功率LED照明系统更是在许多领域中游刃有余。
它具有高亮度、高能效、长使用寿命等优点，对于室内照明、城市照明、汽车照明、广告照明等领域都有着广泛的应用。
然而，在大功率LED照明系统的光学设计中，需要考虑到众多的因素，包括光源特性、反射率、折射率等等，才能设计出满足实际需求的照明系统。
光源特性是影响光学设计的重要因素之一。
大功率LED照明系统采用的LED光源具有高能效、高亮度、长使用寿命的特点，但由于光线的直线传播性，单个LED只能向某一方向发光，因此在设计照明系统时需要对光源的位置、数量、分配等进行精确计算，以保证光线的合理分布。
对于大面积的照明区域，需要采用多个LED光源并组合在一起，形成一个光源阵列，以达到足够的亮度和均匀的照明效果。
在光源设计之外，还需要考虑到光源的色温、色彩还原度、光通量等特性，以保证照明系统的色彩还原度和亮度均衡。
反射率和折射率也是影响光学设计的关键因素。
在大功率LED照明系统中，反射率和折射率决定了光线在镜面反射、衍射和折射时的损失情况，也决定了光线的分布和照度均匀性。
因此需要在设计中考虑到光学透镜、反射镜、漫反射材料等元件的选择和排列。
光学透镜是将LED发出的光线聚焦到预定照明区域的核心元件，其设计需要考虑光线的角度、位置、数量和形状等因素。
反射镜能够将落在其表面的光线进行反射，同时减小板材和电路板等其他元件的光损耗，必须紧密配合透镜进行设计。
漫反射材料能够将光线在表面反射、折射、散射，使光线更均匀地照射目标区域，必须考虑其材料组成、反射率和折射率等特性。
整体来看，大功率LED照明系统的光学设计具有的复杂性、综合性和专业性在不断提高，需要多学科的怀揣和长期的实践经验才能够达到令人满意的照明效果。
在设计过程中，需要根据实际应用需求以及可行性原则进行综合考虑，以达到经济、实用、美观和环保等最佳设计目标。
LED照明系统中的光学设计与调控方法研究
LED照明系统中的光学设计与调控方法研究随着LED技术的不断发展和应用的普及，LED照明系统在照明行业中得到了广泛应用。
光学设计与调控是LED照明系统中关键的技术之一，它对于提高照明效果和能效具有重要的意义。
本文将对LED照明系统中的光学设计与调控方法进行研究和探讨，并提出相应的解决方案。
在LED照明系统中，光学设计是实现高效能照明的关键所在。
通过合理的光学设计，可以有效地提高光的利用率，减少能量的浪费。
首先，LED照明系统的光学设计需要考虑光的分布均匀性。
通过合理的光学设计，可以控制光线的出射角度和光通量分布，使得照明区域内的光照均匀，减少阴影和光斑的出现。
其次，光学设计还需要将光线聚焦在所需照明的区域内，提高照明效果。
通过合理的透镜设计，可以控制光线的传播方向和角度，使其更集中地照射目标区域，减少能量的散失。
在LED照明系统中，光学调控方法是实现可调光、可调色温的关键所在。
可调光是指LED照明系统可以根据照明需求调整光的亮度。
通过调节电流输入，可以控制LED的亮度变化，实现可调光。
可调色温是指LED照明系统可以根据照明需求调整光的色温。
通过合理选择LED芯片的材料和封装结构，可以实现不同色温范围的照明效果，如冷白光、中性白光和暖白光等。
同时，还可以利用管控光衰减和混合光源的方法，实现更广泛的可调色温范围。
为了实现LED照明系统中的光学设计与调控，需要采用一系列的方法和技术。
首先，可以利用光学软件进行光学设计和模拟。
通过建立LED照明系统的光学模型，可以预测光的分布和效果，优化光学设计方案。
其次，可以采用封装技术，如透镜封装和多芯片封装等，将LED芯片和其他光学元件相结合，实现更好的光学效果。
同时，还可以采用光学滤波器和反射镜等光学元件，对光的颜色和强度进行调控，实现可调光、可调色温的效果。
此外，光学设计与调控方法的研究还面临一些挑战和问题。
首先，LED照明系统中的热效应会影响光的性能和稳定性，需要加强散热设计，提高LED的寿命和稳定性。
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。
LED的一次与二次光学设计
LED的一次与二次光学设计
大功率LED照明零组件在成为照明产品前，一般要进行两次光学设计：一次光学设计是把LED IC封装成LED光电零组件时所进行的设计，以解决LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分布、色温的范围与分布；二次光学设计是将经过一次透镜后的光再通过一个光学透镜改变它的光学性能。
（二次光学设计是针对大功率LED照明来说的，一般大功率LED都有一次透镜，发光角度为120度左右。
）我们必须清醒的认识到，一次光学设计是二次光学设计的基础。
只有一次光学设计封装合理，能够保证每个LED 发光零组件的出光品质，才能在一次光学设计的基础上进行二次光学设计，以保证整个发光系统的出光品质。
简单地说，一次光学设计的目的是尽可能多的取出LED芯片中发出的光；二次光学设计的目的则是让整个灯具系统发出的光能满足设计需求。
LED照明光学系统设计
LED照明光学系统设计引言：由于其高效能、长寿命、低能耗和环保等特点，LED（LightEmitting Diode）照明系统被广泛应用于室内和室外照明领域。
而LED照明光学系统设计对于提高照明质量和效果至关重要。
本文将对LED照明光学系统设计进行详细介绍。
一、照明光学系统的组成照明光学系统主要由三个组成部分构成：发光源、光学透镜和反射材料。
1.发光源：LED作为发光源，其发光强度、发光角度、发光方向和发光颜色等特性决定了照明效果。
根据实际需求，可选择不同类型的LED，如高亮度、超高亮度和SMD等。
2.光学透镜：光学透镜对于光线的聚焦、分散和控制起到重要作用。
根据照明需求，设计适合的光学透镜，可以将光线聚焦到照明区域，提高照明效果和均匀性。
3.反射材料：反射材料用于控制和增强光线的反射效果，提高照明亮度和均匀性。
合理选用反射材料，可以有效减少光线损耗，提高发光效率。
二、光学系统设计原则1.照度和照明均匀性：根据不同照明场合的要求，设计适当的照度和照明均匀性是照明系统设计的基本原则之一、合理选择发光源和光学透镜，使得照明区域的照度达到要求，并保证照明均匀性。
2.光束角度的选择：根据照明区域的大小和形状，选择合适的光束角度是照明系统设计的关键之一、光束角度越大，照明范围越广；光束角度越小，照明范围越窄。
根据实际需求，设计合适的光束角度，可以满足不同场合的照明需求。
3.反射率和反射率分布：反射材料的选择和反射率分布的设计直接影响照明亮度和均匀性。
高反射率的材料可以提高照明亮度，而不同区域的不同反射率分布可以提高照明均匀性。
因此，在设计光学系统时需要合理选择反射材料，并设计合适的反射率分布。
4.热问题的考虑：LED作为光源，具有较高的发热量。
在光学系统设计过程中，需要考虑热问题，确保发光源和光学透镜的正常工作温度，并采取适当的散热措施，以延长LED的寿命。
三、光学系统设计流程1.需求分析：确定照明场所的类型和要求，包括照度要求、照明均匀性要求、照明区域的大小和形状等。
LED的光学设计知识以及应用
LED照明光学系统具体分析
反射杯的光学分析： 我们常见的反射杯有两种，如下图所示：
平面型
曲面型
反射杯的形状和开口大小直接影响到整个系统的出光角度即光强分布曲线。 我们通过光线的反射定律很容易就能判断出一个光源经过反射杯后大概的出 光情况。我们举几个例子看一下，下面几个图是同一光源的相同的三条光线 经过不同反射杯后的出光情况。
背光源光学系统的具体分析
（2）如果导光板为一楔行板，且不做任何处理，假设有三条光线由导光板 内射出，在分界面上红色和绿色光线的入射角都小于Im，而蓝色光线入射角 大于Im，那么根据反射定律和折射定律我们就可以得到这三条光线传播路 径，如下图所示，红，绿光线都可以直接折射出导光板，而蓝色光线经过几 次反射后最终也可以射出。
LED照明光学设计案例（1）
用我们前面模拟的光源，再加一个反射杯做一个实际应用的模拟。我们的要求是LED光 源在加上反射杯后能在一米远处呈现一个比较均匀的光斑，光斑的直径在150mm左 右。 我们先看一下模拟结果
LED照明光学设计案例（2）
从上面模拟出的数据可以看出，最后的结果基本符合要求，但还存在 问题： （1）光源发出30000条光线，但在接受屏上只有11799条光线，这 说明还有很多光线并没有到接受屏上； 解决方法：我们希望尽可能多的把光线集中到接受屏上，那就要使整 个系统的发光角度变小。右下角是光强分布图，我们要做的就是把半 值角再减小，光线更集中。 具体方法： （1）改变光源的位置 （2）更换光源 （3）更换反射杯 （4）增加透镜
光学设计基础知识
－主要针对LED封装、LED照明以及背光源
CHOUCHOUYU 2008.4.28
光学设计理论知识
光具有波动性和粒子性，但在应用光学的范围内，光是作 为波动来讲的，它具有波动的一切特性，比如波长、频 率、以及传播速度等。(光波的传播速度ν=c/n) 在后面的讨论中，我们常用“光线”一词，这是一个几何概 念，只是指出光波向空间传播的方向而已。一些光线的集 合就称为光束。 光线的基本性质即几何光学的基本定理：
LED移动照明系统的光学设计和仿真研究——照明系统反光杯的光学设计和仿真研究
本科毕业设计（论文）LED移动照明系统的光学设计和仿真研究——照明系统反光杯的光学设计和仿真研究学院物理与光电工程学院专业光信息科学与技术年级班别 2005 级（2）班学号 3105010052学生姓名梁德平指导教师苏成悦2009 年 6 月LED 移动照明系统的光学设计和仿真研究梁德平物理与光电工程学院摘要本文简要介绍了多种实际应用的LED光源和LED光源常用的反光杯，并对日常用的反光杯进行建模。
本文着重的是LED光源及其反光杯的设计、仿真及改良。
对整个LED照明系统进行仿真，分析其配光曲线和光照度分布图。
在设计LED光源的光学系统时，要考虑LED芯片的几何尺寸，所要模拟的面光源大小，亮度要求和照度要求。
设计的光学系统尽可能贴近实际，尽量的反映了实际应用的情况。
在对反光杯的设计时，分析了反光杯不同的几何结构对照明系统的光照度分布的影响。
并对不同的应用情况，对反光杯进行不同的改良。
本文介绍了如何使用TracePro光学分析软件来设计及仿真LED照明系统，TracePro软件在对实体模型的光学分析上有很大的优势。
着重介绍了如何使用TracePro来设计，和分析整个LED照明系统。
LED照明系统有多种的可能，本文只提出几种设计方案，并尽可能使用光学分析软件来实现仿真。
使用TracePro 软件来进行实体建模，需要注意的是TracePro只适用于简单的实体建模。
对于复杂的实体模型，需要借助其他的CAD软件完成，然后导入TracePro中进行光学分析。
关键词：LED光源，反光杯，照明系统，TraceProAbstractThis paper introduces a wide range of practical applications of the LED light source and it’s reflector, what’s more we model it in the TracePro.This article is focused on LED light source and the reflector design, simulation and improvement.We simulate the entire LED lighting system, and analyze their light curves and the distribution of illumination.In the design of the optical systems of the LED light source, it is necessary to consider the geometry of the LED chip, the size of the source which we want to simulate, brightness requirements and illumination requirements.The design of the optical system must be as close as possible to reality, as far as possible reflects the situation in practical applications. In the design of the reflector, we analyze the different of the geometry of the reflector how to impact the distribution of illumination of the lighting systems.And make the different improvements for the different reflector .This article describes how to use the optical and analysis software TracePro to design and simulate the LED lighting systems, TracePro software have a great advantage to model and analyze the optical systems.We focuse on how to use the TracePro to design, and analyze the entire LED lighting system.There are a variety kinds of the LED lighting systems possible, this article only introduces a few design, and as far as possible, using optical analysis software to simulate. When we use the TracePro to model the optical systems,wo should be noted that the TracePro only applies to simple modeling. As we want to model a complex optical systems, we need to use other CAD software, and then import TracePro to carry out.Key words: LED light source, reflector, Lighting Systems, TracePro目录1 绪论 (1)1.1 前言 (1)1.2 LED发光机理及结构 (2)1.2.1 发光机理 (2)1.2.2 LED的材料与结构 (2)1.2.3 LED的工作特性 (3)1.3 LED光源反光杯的结构 (3)1.4 本论文主要完成的工作 (5)2 照明技术理论基础及常用光学材料简介 (6)2.1 照明技术 (6)2.1.1 光度量 (6)2.1.2 光源和灯具 (6)2.1.3 照明一般术语 (6)2.2 照明光学系统的特点 (7)2.3 常用光学材料的简介 (8)2.3.1 光学玻璃 (8)2.3.2 光学晶体 (9)2.3.3 光学塑料 (9)3 光学分析软件的简介 (11)3.1 TracePro简介 (11)3.2 TracePro的使用 (11)3.2.1软件的打开和权限的选择 (11)3.2.2 用户界面 (12)3.2.3实体建模 (13)3.2.4应用属性 (14)3.2.5光学分析 (14)4 LED照明系统的光学设计及仿真 (16)4.1 LED的光学建模 (16)4.1.1LED光源建模的基本要素 (16)4.1.2LED的封装 (16)4.2 TracePro中的LED实体建模 (18)4.2.1建立实体模型 (18)4.2.1设置应用属性 (21)4.3 LED光源反光杯的实体建模 (23)4.3.1实际参考模型 (23)4.3.2实体建模 (23)4.3.3应用属性设置 (24)4.4 LED照明系统的仿真分析 (25)4.4.1光照度分布图 (25)4.4.2坎德拉曲线分布图 (26)4.5 LED照明系统的仿真分析与实际应用的对比 (28)4.5.1测量环境及步骤 (28)4.5.2 测量结果的比对 (29)5 LED照明系统的优化设计及仿真 (32)5.1 LED光源的优化 (32)5.1.1改变碗杯结构 (32)5.1.1改变胶体结构 (34)5.2 LED光源反光杯的优化 (36)结论 (40)参考文献 (41)致谢 (42)1 绪论1.1前言半导体照明作为一种新兴的产业正在蓬勃发展。
LED照明系统的光学设计与照度分布分析
LED照明系统的光学设计与照度分布分析近年来，随着LED照明技术的不断发展和成熟，LED照明系统已经逐渐取代传统照明系统，成为新时代的主流照明方式。
在这样的背景下，LED照明系统的光学设计和照度分布分析就显得尤为重要。
一、LED照明系统的光学设计LED照明系统的光学设计是指在满足照明需求的前提下，对LED光源进行光学设计，使得光线能够均匀地照射到照明区域。
其中，主要需要考虑以下几个方面：1.了解LED光源的性能参数在进行光学设计之前，需要了解LED光源的性能参数，如发光效率、颜色温度、色彩还原指数、光滑度等，以便对LED光源进行合理的选择。
2.确定照度需求和照射角度照度需求是指照明区域所需要的光强度大小，而照射角度是指LED光源所照射的范围，一般分为散射角度和聚光角度。
在确定照度需求和照射角度的同时，还需要根据实际情况考虑残光的问题。
3.设计反射镜和透镜反射镜和透镜是LED照明系统中的重要元件，它们能够有效控制光线的传播和照射范围。
在进行反射镜和透镜的设计时，需要考虑光程、光强、反射率等因素。
二、照度分布分析照度分布分析是指对LED照明系统的照度进行分析和评估，以确定其照度分布情况是否满足照明需求。
在实际应用中，一般采用照度测量仪器进行测量和分析。
1.照度分布图照度分布图是反映LED照明系统照度分布情况的图形化表达方式，可以准确地显示不同区域的照度强度情况。
在进行照度分布图绘制前，需要先测量照度值，然后通过计算处理，得出相应的照度分布图。
2.照度不均匀度照度不均匀度是指在同一照明区域内，各点照度值之间的差异程度，其值越小则表示照度分布越均匀。
在实际应用中，一般将照度不均匀度控制在10%以内，以确保照明质量。
三、总结LED照明系统的光学设计和照度分布分析是提高LED照明系统照明质量和能效的重要手段。
通过对LED光源的性能参数进行了解，确定照度需求和照射角度，并进行反射镜和透镜的设计，能够有效地控制光线的传播和照射范围。
LED路灯的配光方案_LED照明驱动电源与灯具设计_[共7页]
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第6章LED 路灯和隧道灯解决方案 267║图6-5 蝙蝠翼形光强输出曲线6.3.2 LED 路灯的配光方案在配光方面，LED 路灯的光学系统设计通常由一次光学设计、二次光学设计和三次光学设计3部分组成。
1．LED 的配光方案LED 光源本身的配光属于灯具的一次光学设计。
如果所选择的LED 配光方案不当，就为灯具的二次光学设计增加了难度。
因此，LED 路灯的光学设计必须从单个LED 的配光设计着手。
（1）LED 的光输出特性大功率LED 透明封装材料（即透镜）的形状设计通常被称作一次光学设计。
同样的芯片经过不同的封装工艺，其出光角和光强分布是不同的。
图6-6所示为LED 几种主要类型的光强输出特性曲线。
在大功率白光LED 光强输出特性方面，朗伯型、蝙蝠翼型和聚光型应用较多，但是并不能将其直接应用到路灯中，必须通过再次配光设计得到满足道路照明要求的灯光输出特性。
（2）LED 的配光方案① LED 的一次配光方案。
在大功率LED 制程中，封装采用透镜工艺。
由此可以考虑将LED 的封装透镜工艺与路灯需要的光输出特性结合起来形成大功率LED 的一次配光方案。
a ．斜射矩形透镜封装配光。
LED 斜射矩形透镜封装结构示意图如图6-7（a ）所示。
这种封装透镜顶部为倒圆角的矩形，矩形面呈圆弧状，与水平方向保持一定的角度，对LED 芯片的光输出方向可以发生可控的改变，出光效果如图6-7（b ）所示。
在通常情况下，路灯灯距约为灯高的3倍。
经计算，灯的光输出角在C 0/C 180方向上约为140°，在C 90/C 270方向上约为80°，仰角约为10°，则可以获得令人满意的道路照明效果。
采用斜射矩形透镜封装的LED ，易于LED 路灯的再次配光。
║268LED照明驱动电源与灯具设计图6-6 常见的LED光强输出特性曲线图6-7 采用斜射矩形透镜的LED一次配光方案及出光效果b．双头透镜封装配光。
led光学设计常用原理
led光学设计常用原理LED光学设计常用原理LED（Light Emitting Diode）是一种常见的光电器件，具有高效节能、寿命长、体积小等优点，在照明、显示、通信等领域得到广泛应用。
LED光学设计是指通过光学原理对LED器件进行优化设计，以实现更高的光效和更好的光学性能。
本文将介绍LED光学设计常用的原理。
1. 发光原理LED的发光是通过电流通过半导体材料时，激发产生的载流子复合放出光子而实现的。
LED的发光原理与电子跃迁有关，当电子从高能级跃迁到低能级时，会释放出能量，这些能量以光子的形式辐射出来，形成可见光。
了解LED的发光原理有助于合理设计光学系统，提高光的产出效率。
2. 反射与折射反射和折射是光在材料界面传播时常见的现象。
在LED光学设计中，反射和折射可以通过合理选择材料和优化界面结构来实现。
通过选择具有高反射率的材料，可以提高光的输出效率；通过设计适当的界面结构，可以改变光的传播方向和光束形状。
3. 理想点光源与非理想点光源理想点光源是指在空间中具有相同亮度和颜色的点，其光线是无限细的。
然而，实际LED器件不能完全符合理想点光源的特性，会存在一定的光斑大小和亮度不均匀性。
在光学设计中，需要考虑到非理想点光源的特性，通过光学元件的设计和优化，来实现光斑均匀度和亮度的改善。
4. 光散射与光聚焦光散射是指光线在透明介质中的传播过程中，由于介质内部的微小不均匀性而改变传播方向。
光聚焦是指通过透镜等光学元件，将光线聚集到一个较小的区域内。
在LED光学设计中，通过合理选择散射体和透镜的设计，可以控制光的分布和聚焦效果，以满足不同应用的需求。
5. 光学元件的选择与设计LED光学设计中常用的光学元件包括透镜、反射杯、散射体等。
透镜可以通过折射、反射和散射等方式控制光线的传播和分布；反射杯可以通过反射和聚焦的作用，提高光的输出效率；散射体可以通过散射光线，改善光斑均匀度。
在光学元件的选择和设计中，需要考虑到材料的透光性、折射率、反射率等参数，并结合具体应用需求进行优化设计。
LED照明的设计基础
定义
1.什么是LED（light emitting diode）
LED 利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。它是
一种用微弱的电能就能发光的高效固体光源，其基本结构是一块电致发光的半导 体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯 线的作用。它的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片；在p型半导体 和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。
LED 照明设计基础
2020/4/26
LED照明设计基础
一: Led 基础知识简介 1. 定义、结构及分类 2. Led主要制作工艺及厂商简介 3. 大功率白光LED封装关键技术简介 4. 主要参数及特性
二：大功率LED灯具设计基础知识 1. LED及驱动电源的选择 2. 散热设计 3. 光学设计
2. 按发光管出光面特征分为圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用 微型管等。圆形灯按直径分为φ3mm、φ5mm等,方形分为3528，5050灯。
3.从发光强度角分布来分有三类： 1)高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散射剂。 半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可作局部照明光源用。 2)标准型。通常作指示灯用，其半值角为20°～45°。 3)散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°，散射剂的量较大。
2.5.1 色温与色品坐标的关系式近似如下：
其关系曲线如右色品图，由此可见， 不要的色品坐标可能会有 同样的色温 ，所以能唯一决定颜色的 参数是色品坐标，色温只能参考。 一般，LED封装厂都会按色品坐标不同 用不同的Bin来区分白光的颜色。以下 一典型的Bin分布图。大功率LED供应商 一般会要求四个Bin同时购买，如数量较 少时可以考虑与供应商沟通买单个Bin.
LED光学设计的现状与展望
ｒｆｅ ｔｏ ｎ ｅｒ ｃｉｎ，ａ ｄ ｂ ｉｆ ｅ ｃ ｉ ｅ ｈ ｏｌ ｗ— ｐ ｏ ｔｃ ｌｄ ｓｇ ｅ ｃｉｎ ａ ｄ ｒ ｆａ ｔｏ ｌ ｎ ｒｅ ｙ ｄ ｓ ｒｂ ｄ ｔ ｅ ｆ ｌ ｌ ｏ ｕ ｐ ｉａ ｅ ｉｎ． Ｆｉ ｌ ｎａｌ ｓ ｍｅ ｐ ｏ ｐ ｃ ｓ ｗｅ ｅ ｙ， ｏ ｒ ｓ ｅ ｔ ｒ
７ １０ ） ２ ０６
０１１ ２ （ ． 京 航 空 航 天 大 学物 理 科 学 与 核 能 工 程 学 院 ，北京 １ ０ ９ ； ．陕西 烽 火 通 信 集 团有 限 公 司 ，宝 鸡 １北
摘
要 ：近年 来 ，在 各 种 新 兴应 用 领 域 不 断 涌 现 的 带 动 下 ，Ｌ Ｄ 市 场 规 模 得 到 了 快 速 地 提 升 ，应 用 于 Ｌ Ｄ产 品 不 Ｅ Ｅ
２ Ｓ ａ ｘ ｅｇ ｕ ｏ ． ｈ ｎ ｉＦ ｎ ｈ ｏＣ ｍｍｕ ｉａｉｎ Ｇｏ ｐ Ｃ ，Ｌｄ，Ｂ ｏｉ ７ ０ ６） ｎｃ ｔ ｒｕ Ｏ． ｔ ｏ ａｊ ２１０
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LED照明光学系统设计解读
LED照明光学系统设计解读LED照明光学系统设计是指通过优化LED光源的光学器件和光学结构，实现高效、均匀的光照分布和良好的照明效果的过程。
LED照明光学系统设计对于提高LED照明的亮度、能效、色温的一致性以及可靠性等方面具有重要的意义。
下面将从光源封装、光学透镜和反射杯、光学设计及照明效果等方面详细解读。
首先，光源封装是LED照明光学系统设计的基础。
光源的封装设计直接影响LED照明的亮度和能效。
高质量的封装材料和良好的封装工艺可以提高光源的光输出效率，并增加热散发。
同时，合理的封装设计可以有效控制光源的辐射角度和光照分布，实现良好的光照均匀性。
其次，光学透镜和反射杯是LED照明光学系统设计中常用的光学器件。
光学透镜的设计可以实现光束的聚光、散射和光线的整形等功能，从而控制光照的角度、亮度和分布。
反射杯主要通过反射作用，将光束从LED光源中折射出来，实现光的集中和扩散。
优化透镜和反射杯的结构和材料选择，可以减小光损耗、提高光透过率和控制光照角度，从而达到更高的照明效果和节能目标。
光学设计是LED照明光学系统设计的核心内容之一、光学设计通过光学模拟软件和实验测试手段，对照明光源、光学器件和光学结构进行合理的布置和调整，以实现最佳的光学效果。
光学设计的参数包括光源的位置、光束的角度、透镜的形状和材料等。
通过合理调整这些参数，可以实现均匀的光照分布和较高的亮度，并避免光照的盲点和温差。
最后，照明效果是衡量LED照明光学系统设计优劣的重要指标。
优秀的LED照明光学系统设计应该能够实现不同场景下的光照需求，包括光照的均匀性、亮度、色温和色彩还原指数等。
高质量的照明效果可以提高用户的舒适感和工作效率，同时也可以减少眩光、防止光污染、降低能耗和延长LED照明产品的使用寿命。
综上所述，LED照明光学系统设计是一项复杂而重要的工作。
光源封装、光学器件的优化、光学设计的合理布置以及良好的照明效果等都是实现高效、均匀照明的关键要素。
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芯片黏贴之示意图
Osram Opto Semiconductors在2003年2月也发表了新的研究成 果－ThinGaN，如图 2-5，可将藍光LED取光效率提升至75%， 比起传统提升了3倍。
LED的一次光学设计
4、改变芯片的几何外形
作用： 1）、使内部反射的光从侧壁的内部表面，再次传播到 上表面，以小于临界角的角度出射，使大于临界角的 光重新从侧面出射。 2）、同时减少内部传播路径，减少吸收
P
MQW
N
衬底
HP与Lumileds公司产 品外部量子效率则大 幅提升至55%，发光 效率高达100 lm/w， 是第一个达到此目标 的发光二极管。
LED的一次光学设计
2、 LED透镜的应用分类
（1）一次透镜 a. 一次透镜是直接封装（或粘合）在LED芯片支架上，与LED成 为一个整体。 b. LED芯片（chip）理论上发光是360度，但实际上芯片在放置 于LED支架上得以固定及封装，所以芯片最大发光角度是180度 （大于180°范围也有少量余光），另外芯片还会有一些杂散光线， 这样通过一次透镜就可以有效汇聚chip的所有光线并可得到如 180°、160°、140°、120°、90°、60°等不同的出光角度， 但是不同的出光角度LED的出光效率有一定的差别（一般的规律是： 角度越大效率越高）。
LED的一次光学设计
5、芯片倒装（Flip-chip）技术
蓝光LED通常采用Al2O3用衬底硬度高、热导率和 电导率低，如果采用正装结构，一方向会带来防静 电的问题，另一方面，在大电流情况下散热也会成 为最主要的问题。同时由于正面电极朝上，会遮掉 一部分光，发光效率会降低。大功率蓝光LED通过 芯片倒装技术（FLIP CHIP）可以比传统的封装技 术得到更多的有效出光。
LED的一次光学设计
1、模粒材料的种类
（1） 硅胶透镜
a. 因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用 直接封装在LED芯片上。
b. 一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm。 （2）PMMA透镜 a. 光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），俗称亚克力。
b .塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、 挤塑完成）；透光率高（3mm厚度时穿透率93%左右）； 缺点：温度不能超过80°（热变形温度92度）。
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的一次光学设计
透镜封装的光学系统具体分析
为了提升出射光的比例，透镜的外形或者环氧封装的外形最 好是拱形或半球形，这样，光线从封装材料射向空气时，几乎是 垂直射到界面，入射角都会小于临界角，因而减少产生全反射的 几率。如果对光强分布和出光角度有要求的话，那就要重新考虑， 不同的透镜形状和封装形状会得到不同的结果。
c. 一次透镜一般用PMMA、PC、光学玻璃、硅胶等材料。
LED的一次光学设计
（2）二次透镜 a. 二次透镜与LED是两个独立的物体，但它们在应用时确密不可分。 b. 二次透镜的功能是将LED光源的发光角度再次汇聚光成5°至 160°之间的任意想要的角度，光场的分布主要可分为：圆形、椭圆 形、矩形。 c. 二次透镜材料一般用光学级PMMA或者PC；在特殊情况下可选择 玻璃。
1、表面粗化工艺
将组件的内部及外部的几何形状粗化，破坏光线在组件内部的全反射，提 升组件的光萃取率。
1)表面平整时，大于临界角的 光线反射进内部有，会遇 到杂质产生散射出光，但 光程变化衰减很大。 2)直接将表面打毛:损伤发光 层,损伤透明电极.
衬底 W
MQW WW 金属反射层 W
一般采用直接刻触成型的方法
LED的一次光学设计
• LED的一次光学设计与二次光学设计概述 • 引脚式LED的一次光学设计 • 提高芯片发光强度与出光效率的方式
LED的一次光学设计
• LED的一次光学设计与二次光学设计 概述
1、一次光学设计
把LED 芯片封装成LED光电组件时，要先进行一次光学 设计。故一次光学设计主要是针对芯片、支架、模粒这 三要素的设计。
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Biblioteka 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
粗化方法基本上是在组件的几何形狀上形成规则的凹凸形狀，而这种规 则分布的结构也依所在位置的不同分为两种形式，一种是在组件内设置凹凸 形狀，另一种方式是在组件上方制作规则的凹凸形狀，并在组件背面设置反 射层。目前若使用波长为400nm的紫外组件，可获得35%外部量子效率， 取出效率为60%，
表面粗化工艺是现在使用最方泛的方法。粗化的原理是增加发光面积。该 方法适用于黄，绿，普红，普黄。等GaPa基材的外延片，另外红外LED 也可采用该方法。这种方法一般可以提高30%。
透镜的光学分析：影响出光角度，一般说透镜角度大出光角度大，透镜角度小 出光角度小。
硅胶和透镜的形状：影响到封装后的光强分布曲线以及出光量的多少
软件模拟与实际对比
LED的一次光学设计
3、LED反射杯规格分类
（1）折射式
特点：
1、当LED光线经过透镜时光线会发生折射 而聚光，而且当调整透镜与LED之间的距 离时角度也会变化（角度与距离成反比） ，经过光学设计的透镜光斑将会非常均匀 ，但由于透镜直径和透镜模式的限制， LED的光利用率不高及光斑边缘有比较明 显的黄边； 2、聚光面包含的立体角有限，约70%-80% 的白光从侧面泄露，发光效率低。 3、提高出光率方法：增加反光杯面积， 收集侧面光线。 4、聚光方法：增加透镜曲率。 5、一般应用在大角度（50°以上）的聚 光，如台灯、吧灯等室内照明灯具。
目的：提高出光效率、并解决LED的出光角度、光强、
光通量大小、光强分布、色温的范围与分布。
LED的一次光学设计
2、二次光学设计
二次光学设计是针对LED照明器具进行优化设计，这是系 统层面的设计。其目的是对整个系统的出光效果、光强、 色温分布进行设计。LED光源二次光学配光设计，对大面积 投光和泛光照明配光需求尤为迫切。通过二次光学设计技 术，设计外加的反射杯与多重光学透镜及非球面出光表面， 可以提高器件的取光效率。 二次光学设计模拟软件有Code V、ZEMAX、TracePro、 ASAP、LighTools等，和机械建模软件如：Auto CAD、 Pro/E、UG、SOLIDWORKS等进行设计和光学仿真，不断优化 而得到相应的光学透镜。
LED的一次光学设计
（3）透镜的选择及注意事项 a、 LED透镜作为光学级的产品，对透光性、热稳定性、密度、折射率 均匀性、折射率稳定性、吸水性、混浊度、最高长期工作温度等都有严格 的要求。因此，必须根据实际选择透镜的材料。原则上选择光学级PMMA， 如有特殊的需求可选择光学级PC。目前为日本三菱PMMA材料为最好 （VH001是经常选择的牌号），三菱公司在中国的分厂南通丽阳就会稍逊 一些； b、 必须配备万级甚至更高级别的无尘车间，作业人员必须着防静电 服装、戴手指套、戴口罩等防静电防尘措施，并且定期对车间做检验与清 理。 c、须有专业的光学注塑机如东芝、德马格、海天、震雄等品牌的注塑 机，并严格控制注塑工艺才能得到合格的产品。 d、产品检验：无气泡、无凹陷、无缩痕、无流纹、无月牙；形状精度 Rt<0.005 表面粗糙度 Ra<0.0002。 e、产品必须用防静电防尘PVC包装，并且须完全密封包装，存放必须 严格控制温度与湿度，并且最好不要存放超过一年以上。
LED的一次光学设计
（2）反射式
背向反射 正向反射
•反射面为一镀有反射膜的抛物面，管芯位 于抛物面焦点。 •优点：集光效率高，可以达到80%以上。
•正向反射式使用的是抛物面侧面区 域。 •优点：工艺简单，纵横比适中。光 束发散小，集光效80%以上，光线无 遮挡。
•缺点：芯片对光线有遮挡。
•要求芯片的纵横比小，横向尺寸：纵向尺 寸>4
LED的一次光学设计
（3） 折反射式 •透镜的设计在正前方用穿透式 聚光，而锥形面又可以将侧光
全部收集并反射出去，而这两
种光线的重叠（角度相同）就 可得到最完善的光线利用与漂 亮的光斑效果 •比折反式集光提高两倍 •这种透镜集光效率高，对环氧 树脂透镜的要求也高。