LED科瑞二次光学设计.ppt
雷士 室内LED灯具的二次光学设计2
室内照明灯具分类
功能分类
基础照明
实现灯具
筒灯 灯管 面板灯 射灯
室内照明
重点照明
格栅射灯 天花灯
装饰照明
灯条 霓虹灯
室内LED灯具及效率分析
散热结构
Tj=60oC,光效 下降10%-20% 驱动效率 损失>10% 二次光学 损失>10%
电源 &控制器
灯具
LED
光学结构
•LED component效率已经达到100lm/w以上，经过灯具设计后效率只有50-60lm/w •精确高效的光学，散热，以及驱动设计对于提高灯具效率至关重要。
LED在室内照明中的应用
建筑能耗比分类
暖气，通 风，空调和 制冷 40% 办公室设备 10% 热水 15%
照明 35%
建筑能耗比例
美国DOE关于2030年半导体照明节能 在不同应用场合和照明质量要求的分类
• 照明能耗占到建筑能耗的35%。 • 商业照明和居家照明（室内建筑照明）节能起到了主要的贡献。 • 加快室内照明中半导体照明进入的步伐的进度将会对节能起到更快的 推动作用。
混光腔结构示意图
白光LED，CRI<75
Color LED
CRI>90
利用混光腔，可以设计高效高显色指数的照明系统
结论
• LED高效，长寿命，方向性强的特点使得LED在室内照明的应用大有前途。 • 室内LED灯具的散热，驱动和光学设计效率对于LED灯具设计至关重要。 • 不同的应用场合，不同的配光要求需要配合不同的二次光学设计
二次光学设计 透镜 反射器 混光腔
光线控制
效率
成本
一般应用场合
半光强角度<60度的重点照明灯具如射灯，天花灯 半光强角度>80度的基础照明或重点照明灯具，如 射灯，筒灯 基础照明灯具，要求出光均匀，无眩光，高显色性 的场合
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
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。
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
-20
-15
-10
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0
3
55
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2
2
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
LED路灯二次光学设计
课程设计报告：LED路灯二次光学设计课程设计报告：本文设计思想和原理参考复旦大学某光学书，有心者自寻之）目录目录 0一、课程设计背景 (2)1.1设计背景 (2)1.2设计的必要性 (2)二、课程设计思路 (2)2.1设计思想 (2)2.1.1总体设计 (2)2.1.2工艺的考虑 (3)2.1.3光分布的设计思想 (4)2.2设计原理 (4)2.2.1鳞片倾角的设计原理 (4)2.2.2鳞片坐标的设计原理 (5)三、课程设计过程 (7)3.1色片建模 (7)3.1.1鳞片坐标的键入 (7)3.1.2鳞片的拉伸、切割 (7)3.1.3鳞片带的位置调整 (8)3.2色片单元的组合——光学面罩 (8)3.3面光源的定义 (8)3.4光学面罩属性的设置 (9)3.5面光源对光学面罩的模拟 (9)3.6格点光源的定义 (9)3.7格点光源对光学面罩的模拟 (10)3.8光学面罩的改进以及分析 (10)3.9光学面罩的切割 (11)四、课程设计结果 (12)4.1矩形光学面罩 (12)4.1.1面光源模拟结果 (12)4.1.2格点光源模拟结果 (13)4.2鳞片相对位置不同的模拟结果 (15)4.3改进的光学面罩 (16)4.4圆板状光学面罩 (18)五、课程设计的心得体会 (19)一、课程设计背景1.1设计背景近年来LED技术取得了突飞猛进的发展，尤其是蓝光LED的诞生直接促进了LED技术在显示器领域、照明领域的普遍应用。
由于LED发光亮度高、使用寿命长、节能等等优点，它将在各个领域逐渐取代传统光源。
LED之所以可以要取代传统光源，一个重要原因就是：节能。
例如：钨丝灯发光率为17.3 lm/W，日光灯的发光效率约40 lm/W。
而LED灯的发光效率已经做到了120 lm/W，而且将来随着技术的发展和工艺的提高，它的发光效率势必会超过200lm/W。
这就是说，在同样光强的要求下LED能够比传统光源节约数倍甚至数十倍的电能。
新型LED路灯照明二次光学设计
新型LED路灯照明二次光学设计字号: 小中大| 打印发布: 2009-1-08 00:09 作者: 钱可元罗毅来源: 阿拉丁照明网查看: 0次编者按：由于白光LED具有很多显著的优点，将其应用于公共城市照明设施地替代光源有着许多的优点。
然而要真正充分发挥半导体光源的长处，二次光学系统的设计至关重要。
本文介绍了一种独特的适用于城市道路照明二次光学系统，他能较好的满足城市道路照明的家路相关标准，并可以灵活地适用于不同的道路情况。
1、引言公共城市照明在照明市场上占有庞大的份额，根据统计，城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例，约439 亿kwh，以平均电价0.65 元/kwh 计算，一年开支285 亿元。
目前，广泛应用于城市公共照明的是高压钠灯，特别是在主干道上，高压钠灯可以提供100lm/W 以上的发光效率。
但其本身的缺憾也很明显：光源的光谱成分偏黄，显色指数极低;灯具的寿命短，更换工作量大;不便于对于灯的功率进行调节;随着20 世纪90 年代固体物理学的高速发展和新半导体材料的突破性发现，近10 年来LED 技术取得了突飞猛进的发展。
白光LED 的出现，以其特有的低电压驱动、体积小、重量轻、显色性好、调光性能好、寿命长(达2 万小时以上)、耐振动、不易损坏、符合环保要求等优势，使半导体光源将成为城市道路照明理想的节能光源。
其显著的优点为：光效高。
目前商业化的白光LED 光效已达到90-100lm/W 左右，预计2 年内能达到150lm/W 以上，而这并非LED光效的上限，各国的专家都把光效地目标定在200lm/W 左右。
寿命长。
理想的目标是10 万小时，而目前商业化的白光LED 寿命可到5 万小时，比传统光源寿命要长10 一20倍。
做成城市道路照明光源，则可以10 年不换光源，大大节省了日常的维护费用。
便于对于灯的功率进行智能调节;可以附加二次光学系统，最大限度地利用LED 的光能，满足各种应用场合特定的照度与光强分布。
LED路灯的二次光学透镜设计
LED路灯的二次光学透镜设计作者：王双江摘要：鉴于道路照明需求的多样性和复杂性，基于配光曲线映射原理，运用透射光学设计手段，借鉴传统路灯设计方法，针对单颗大功率白光LED，根据其特有的配光特性参数设计了一种新颖的二次光学透镜。
该透镜实现了将LED的郎伯型配光转换为蝙蝠翼型配光，将圆形光斑转换为矩形光斑，同时可以达到很高的光输出效率和近似1:2的长宽比。
与同类设计相比，达到国家道路照明标准，同时降低了设计复杂度，可应用于LED 路灯设计。
关键词：LED；路灯；二次光学透镜；配光曲线；长宽比1、引言随着“十城万盏”工程的启动和逐步推进，国家和社会对LED路灯的要求也从理论研究越来越走向实用化。
1974年Schruben提出实现均匀圆形照明的自由曲面反光器。
2002年Harald Ries提出可投射出OEC字样的自由曲面透镜。
2002年，OEC公司的H.Rie和J.Muschaweck指出可以用数值求解偏微分方程的方法来构造自由曲面的面型。
他们用一个折射面将均匀强度的小光源发出的光在矩形均匀光斑范围内形成OEC公司的公司名称而且这三个字符的亮度是背景亮度的3倍。
香港理工大学工业及系统工程学系先进光学制造中心采用了边缘光线扩展度（Etendue）守恒的原理创建了一套自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法，设计出在道路横向（X方向）产生±60°内均匀分布的配光，在纵向（Ｙ方向）产生±30°内均匀分布的配光的方形光斑的自由曲面透镜，从而满足道路照明的配光要求。
针对不同的道路应用环境，LED路灯的配光需求也各不相同。
总体来说，限于光源的影响，未经配光的LED的配光呈现郎伯型，直接在道路上形成的光斑为圆形，容易形成斑马纹和造成眩光。
为了解决上述问题，需要对LED郎伯型的配光进行改进，也就是进行二次配光设计，将郎伯型的配光改变为蝙蝠翼型。
本文针对道路照明要求，在给定光源的情况下，设计了一种简单有的二次光学透镜，可以实现较好的照明效果。
基于阵列式连体透镜的LED二次光学设计
ｍ （ ） Ｉ（ ｒ， ｒ） ｃ ｏ ｓ ２ ）＝Ｉ ０（ 式中 ｒ 为 Ｌ Ｅ Ｄ 与 该 平 面 之 间 的 距 离； Ｉ（ ｒ， ）为 （ ） Ｌ Ｅ Ｄ 沿光轴 ＝０ 时距 离 光 源 ｒ 处 的 光 照 度 ； ｍ的 值取决于 Ｌ 发光 区 域 与 球 面 密 封 材 料 的 曲 率中 Ｅ Ｄ 如果芯片位置与曲面中心对应 ， 则ｍ 心的相对位置 ，
（ ，Ｙ ，Ｑ ） １． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ａ ｎ ｓ ｈ ａ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｉ ｎ ｈ ｕ ａ ｎ ｄ ａ ｏ ０ ６ ６ ０ ０ ４， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｇ ｇ ｇ ｙ ｇ （ ，Ｎ ， ） ２．Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ａ ｓ ｔ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ Ｄ ａ ｉ ｎ １ ６ ３ ３ １ ８， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｇ ｇ ｙ ｑ ｇ ：Ｗ Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｍ ａ ｌ ｌ ｌ ｉ ｈ ｔ ｅ ｍ ｉ ｔ ｔ ｉ ｎ ｕ ａ ｎ ｔ ｉ ｔ ａ ｎ ｄ ｌ ｉ ｍ ｉ ｔ ｒ ａ ｎ ｅ ｏ ｆ ｉ ｒ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｏ ｆ ｓ ｉ ｎ ｌ ｅ － ｐ ｇ ｇ ｑ ｙ ｇ ｇ ｇ ’ Ｌ Ｅ Ｄ ａ ｎ ｄ ｌ ｅ ｎ ｓ ｌ ｉ ｈ ｔ ｉ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｓ ｃ ａ ｎ ｎ ｏ ｔ ｂ ｅ ｓ ａ ｔ ｉ ｓ ｆ ｉ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｔ ｕ ａ ｌ ｌ ｉ ｈ ｔ ｉ ｎ ｄ ｅ ｍ ａ ｎ ｄ ．Ａ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ａ ｒ ｏ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｏ ｆ ａ ｒ ｒ ａ － ｇ ｇ ｙ ｇ ｇ ｙ ｐ ｇ ｙ ， ｓ ｉ ａ ｍ ｅ ｓ ｅ ｄ Ｌ Ｅ Ｄ ｌ ｅ ｎ ｓ ｉ ｓ ａ ｒ ｒ ａ ｓ ｉ ａ ｍ ｅ ｓ ｅ ｄ Ｌ Ｅ Ｄ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｔ ｏ ｉ ｔ ｓ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｏ ｏ ｓ ｅ ｄ ．Ａ ｎ － ｙ ｇ ｐ ｐ ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｎ ａ ｎ ｄ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｍ ａ ｄ ｅ ｂ ｕ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｎ ａ ｍ ｅ ｄ Ｔ ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ．Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｇ ｙ ｇ ｐ ｇ ｏ ｏ ｄ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ｈ ａ ｓ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｉ ｎ ｉ ｌ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ． Ｉ ｔ ｃ ａ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｌ ｉ ｍ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ａ ｎ ｄ ｌ ｉ ｈ ｔ ｕ ｎ ｉ ｆ ｏ ｒ ｍ ｉ － ｇ ｇ ｐ ｇ ｙ ｐ ｙ ｇ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｈ ｔ ｉ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ． ｙ ｇ ｇ ｙ ： ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓａ ｌ ｉ ｅ ｄ ｏ ｔ ｉ ｃ ｓ ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ａ ｒ ｏ ｔ ｉ ｃ ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ａ ｒ ｒ ａ ｓ ｉ ａ ｍ ｅ ｓ ｅ ｄ Ｌ Ｅ Ｄ ｌ ｅ ｎ ｓ Ｔ ｒ ａ ｃ ｅ Ｐ ｒ ｏ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ － ｐ ｐ ｐ ｙ ｐ ｇ ｙ ｙ
LED显示装置的二次光学设计
LED显示装置的二次光学设计【摘要】LED显示装置的二次光学设计在提高显示质量和降低能耗方面发挥着重要作用。
本文从二次光学设计的意义、原理、常见方法和应用等方面进行了详细介绍。
通过合理设计光学元件的形状和材质，可以提高LED显示器的亮度、对比度和色彩表现力，同时降低光补偿和能耗。
二次光学设计在LED显示装置中的应用已经取得了一定的成果，但仍有许多挑战和发展空间。
未来，随着技术的不断进步，二次光学设计在LED显示装置中的应用将会更加广泛，效果也会更加出色。
LED显示装置的二次光学设计的重要性不言而喻，未来将会成为LED 显示技术发展的重要方向。
结合本文所述的内容，可以看出LED显示装置的二次光学设计对于提升显示效果和节能降耗具有重要意义，值得进一步研究和应用。
【关键词】LED显示装置、二次光学设计、意义、原理、常见方法、应用、未来发展方向、重要性、发展趋势、总结1. 引言1.1 LED显示装置的二次光学设计LED显示装置的二次光学设计是指在LED显示器中，通过对光学元件进行合理设计和优化，以提高光学性能和减少能量损失的过程。
二次光学设计在LED显示装置中起着至关重要的作用，能够有效提高显示效果和节能减排。
在LED显示装置中，二次光学设计主要包括透镜设计、反射材料选择、光学路径设计等方面。
通过合理设计透镜形状和材料，可以改变LED发光角度和亮度分布，从而提高LED显示屏的亮度和对比度。
选择合适的反射材料和设计光学路径，可以减少光线损失和反射损失，提高LED显示装置的光学效率。
在LED显示装置中，常见的二次光学设计方法包括全息透镜设计、反射镜设计、光学模拟仿真等。
这些方法可以根据LED显示器的具体要求和应用场景，进行定制化设计，最大限度地提高显示效果和节能减排效果。
通过二次光学设计，LED显示装置的应用范围将得到进一步拓展，未来有望实现更加节能高效的LED显示技术。
LED显示装置的二次光学设计将在未来发展中扮演重要角色，推动LED显示技术不断创新和提升。
浅析LED照明的二次光学设计研究
浅析LED照明的二次光学设计研究发表时间：2016-03-30T17:28:28.693Z 来源：《基层建设》2015年23期供稿作者：华路[导读] 东莞轩朗实业有限公司 523281 LED（LightEmittingDiode）为发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。
华路东莞轩朗实业有限公司 523281摘要：本文首先介绍了LED的发光原理，再通过一次光学设计及二次光学设计，简单介绍了LED照明的二次光学设计。
旨在与同行探讨学习，共同进步。
关键词：LED一次光学二次光学设计LED（LightEmittingDiode）为发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。
20世纪60年代，人们通过对半导体材料可通电发光的了解，生产出了第一个商用发光二极管。
LED是由Ⅲ-Ⅴ族化合物，比如：GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体材料造成的，它的核心是PN结。
因此，其具有通常PN结的VI特性，即反向截止、正向导通、击穿特性。
除此之外，在一定的条件之下，其还具备着发光的特性。
在正向电压的作用之下，空穴由P区注入N区，电子由N区注入P区，进入到对方地域的少数载流子（少子）的一部分跟多数载流子（多子）复合而发光。
LED的发光原理如图1所示。
图1LED的发光原理PN结的端电压组成了一定的势垒，若给PN结外加个正向偏置电压，PN结的势垒将要减小，N型半导体当中的电子将会将要注入到P型半导体之中，P型半导体当中的空穴将要注入到N型半导体当中，因此出现了非平衡状况。
这些注入的空穴和电子在PN结处相逢发生复合，复合时将有余的能量以光能形式开释出来，从而可以观察到PN结发光。
这就是PN结发光的机理。
同时，当电子和空穴发生复合时，还有一些能量以热能的形式散发出来.PN结对电子和空穴具有不同高度的势垒，这两个势垒均很小，但是空穴的势垒比电子的势垒小得多，并且空穴不停从P区向N区扩散，取得高的注入速率，N区的电子注入P区的速率却比较小。
LED光学透镜培训资料
1，角度问题 我们的洗墙灯透镜实测角度和标称角度相差太大，比7*80,10*60的永明亮透镜实测只有15*43,16*45. 建议实测后重新命名。命名一般都是以半光强角度命名的，这样避免给业务和生产带来不必要的麻烦。 2，余光问题 小角度余光相对来说比较多，在洗墙灯与墙面距离相对较大时，会造成暗斑位置泛黄。 3，RGB混光问题 在输出为白光时，灯具两端和底部的墙面颜色会泛红或者泛蓝，也就是混光效果不好，这是全彩洗 墙灯条纹透镜都会遇到的问题。
三、通过光强线判定光斑
红线和蓝线之间有间隙，就能知道光斑不是圆形，蓝线底部有长长的尾巴，说明蓝线即小角度 方向有很多余光，即看起来来光斑会分层。 光强曲线尾巴即过度区越短，那么光斑得副斑就 越小，这也是评价一款透镜光效好坏的点。 光强曲线如果过度不均匀，那光斑就会出现亮条纹， 与暗条纹交错。
灯具透镜使用小结
与普通条纹透镜，出光效率相对要低3~5个百分点，偏光方向余光显得更多，其优势是洗墙暗斑会比普 通的透镜要小，出光利用率更高
谢谢！
光束角的读取
一般都是在X-Y坐标系即直角坐标系中读取，X轴一般都是角度值，Y轴一般都是光强值。直角坐标 系中读数直观易读。而极坐标中读数相对麻烦，且读出的角度不准。 例：见下图
X-Y线性坐标中红线上两个半光强点之间的夹角22.5x2=45.0,蓝线两个半光强点为7.5x2=15.所以就能得 到这个图中的半光强角度是15*45。10%的光强角度和50%的光强角度读法一样
三、透镜材质优缺 点
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 塑完成)；透光率高(3mm厚度时穿透率93%左右)；缺点：耐温70%(热变形温度90度,为了配合 PMMA所能承受的温度范围,采用PMMA灯罩 时往往必须考虑增加光源和灯罩的距离或是降低光源 的输出功率)； 3、PC透镜 a.光学级尼龙料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 塑完成)；耐温高(130度以上)；缺点：透光率稍底(87%)； 4、玻璃透镜 光学玻璃材料,具有透光率高(97%)耐温高等特点,缺点：易碎、非球面精度不易实现、生产效率 低、成本高等。
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4. 玻璃透镜 光学玻璃材料，具有透光率高（97%）耐温高等特点，缺点：易碎、非球面精度不 易实现、生产效率低、成本高等。
Photopia Software
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导入TP建立面光源
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光线追踪模拟
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描点建立光源文件
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通过TIR透镜能够在对照度有特殊要求中得到很好的应用
多芯片LED ＋TIR透镜
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OK
XPE LED ＋TIR透镜
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Good
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二次光学器件厂商
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光学模型和模拟工具
目前已有光学软件能够有效的进行LED光学模拟和设计
LED 二次光学设计
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裸灯圆形光斑
• 当H=10m,照在10*25m区域内的光为50%。 • 均匀度为0.36
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矩形均匀光斑
• 当H=10m,照在10*25m区域内的光为71%。 • 均匀度为0.6
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基本光学类型
LED基本光学类型 可以分类如下
二次光学设计用来改变LED的光线输出，这样设计出来灯具能够符合要求
二次光学
二次光学的基本作用:
分散: 把出光发散开 聚合:把光线聚合到更小的范围.
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LED 二次光学
扩散：把光线扩散到更广的角度
Relative Intensity Relative Intensity
反射镜
目标区域
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LED透镜的材料种类
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（可以通过注塑完成）；透光率高（3mm厚度时 穿透率93%左右）；缺点：耐温70%（热变形温度90度）；
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LED 二次光学
Spatial Radiation Pattern for LED with Secondary Optics
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• 反射镜容易制备且相对便宜
• 反射镜的形状决定光形 • 抛物线形状的反射镜从焦点收集光线后转化成平行光线 • 非球面的轮廓能够在大范围内矫正光线, 提供普通的泛光照明 • 反射镜能够控制光线数量的大小跟光源与反射镜的相对尺寸成正比 • 反射镜越大，光形控制越好 • 光源尺寸越小，反射镜越能更好控制光线
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溢出角计算
D
B
M
Lห้องสมุดไป่ตู้
全溢出角: 2 * Ѳspillover =arctan ((D / 2) / L)
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单纯依靠反射镜有可能得不到目标光形
LED 加反射镜
LED only
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打开IES文件
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照明设计软件-DIALux （FREE）
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DIALux Example
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生成IES文件
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自动优化功能
• 定义变量和边界条件 • 定义参数和目标 • 得到优化的结果
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小结
• 二次光学设计目的是为了改变LED发光角和光强分 布以满足灯具应用需求
• 反射 • 透镜 • 反射和透镜的结合
一般说来，透镜比反射镜更有效的改变光形
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反射镜
• 使用反射表面去改变光形
Spillover
• 反射镜的最大作用是矫正光线
• 反射镜有一个大的开口，而且有一些光线不能达到表面（溢出）
• 溢出的光学围绕在中心光线的四周
LED 光学 South China
LED 初级光学
• 每个 LED已经有一个初级光学设计
– 让最大的光从芯片出来 – 提供LED的出光角
• 如果光线的角度不符合特殊的应用，二次光学设计就有必要去改变这些
出光角
初级光学设计
出光角
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LED 二次光学
DIALux Example
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DIALux Example
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DIALux Example
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其它软件：AGI
光源
• 表面光源 • 体积光源
– 光线情况 • 光谱参数
– 高斯 – 黑体 – 自定义 • 空间，角度，体积分布
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分析 • 光度或照度 • 光强 亮度（空间或角度） • 颜色 • 色度，显指，色温，光谱能量
分布，
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聚集: 把宽的光线聚集成更窄的光线
反射器
反射器+ 透镜
TIR 透镜 透镜
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Spatial Radiation Pattern for LED only
容易 复杂
Photometric viewer Lighting Design software Optical Design software
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初始光源模型
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光学设计软件
通常使用以下光学软件进来LED二次光学建模和设计： ASAP, LightTools, TracePro, FRED, Zemax and Photopia etc., ——有些设计软件具备自动的优化功能，能够更好的进行LED 二次光学设计
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TIR 透镜：Total Internal Reflection Lens:
• 管理直接和反射的光线 • 在光线出系统前，光线通过至少2个表面 • 在小的尺寸下依旧有效 • 相对反射镜价格昂贵
TIR 透镜管理直接和反射的光线
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Angle (º)
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特殊光学要求(如路灯等): 把LED发出的 朗伯光线转变为特殊分布的光线
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LED 二次光学
Spatial Radiation Pattern for LED with Secondary Optics
• 某些光学材料会使Cree Xlamp光源色温(色坐标)等 发生变化
• 在设计或选择CREE LED时请了解系统的光学分布 • 每个光学厂家的制造技术和成本有所不同