LED照明设计及应用PPT

照度分布
Baidu Nhomakorabea光线追迹图
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用于LED路灯的先进光学元件( 工程项目 I )
用于路灯的先进光学准直镜
• 根据北京道路管理局统计，截至 2006年底，北京5环路道路总长4千 公里。所需路灯为30万盏。 • 产值可达大约600亿人民币。
圆形光斑
光损约50%
没有透镜的路灯光斑
有光学透镜或者反光杯时： • 会形成一个方形的光斑，能满足道路照明标准。 • 光学效率及光斑均匀性会得到提高
矩形光斑
有透镜的路灯光斑
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自由曲面光学及其应用优势
自由曲面光学是非旋转对称的，不规则的，自由构建的 复 杂面形，几何形状不能够用单一的光学公式比如通用 的非 球面光学公式来生成。
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组合式LED路灯灯头的优点
采用非旋转对称的自由曲面光学元件可以提高均匀性及光效率。所需能量仅是传统光源 的几分之一。 组合式的灯头有下列优点: • • • • 能够更好地散热。 更换LED不需要整个拆卸灯头。 可以根据整灯功率的变化来调整光源的数量及所用支架的数量。 数量可以根据照明需求进行方便的调整。
LED 准直透镜
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汽车头灯的自由曲面二次光学设计
采用准直镜和枕形透镜阵列的LED头灯的设计
LED 头灯的原型样品
采用准直镜及枕形透镜的LED汽车头灯
产生所需要的光斑
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LED应用目前存在的问题
LED的散热问题：散热是大功率LED产品必需解决 好的问题。 LED电源稳定性问题：目前限制LED照明产品寿命 的一个原因是电源的寿命。 LED照明产品的眩光问题：只有经过重新进行配光 设计才能很好地解决眩光和光效问题。 LED光源指向性问题：LED区别于传统光源的一点 就是其是具有指向性的光源，利用的好可以提高光源 的效率，如果利用不好，就会出现眩光或者光强分布 满足不了照明标准的问题。 对LED的误解：LED不会发热，LED发不出足够的 光供一般照明，LED寿命10万小时， LED显色指数 不会好，LED可如传统光源一样简单地替代性使用。
LED 准直镜
7-LED 准直镜
3-LED 准直镜
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枕形透镜阵列
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汽车头灯的自由曲面二次光学设计
采用3WLED 汽车头灯的设计，准直镜，枕形透镜阵列
用于分配光的枕形透镜 阵列
3W LED 光源
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• • • • • • • • • • LED 数量: 68 片 1W 应用场合: 高速路, 主干道, 商业区及公园 路灯灯头安装高度: 12米 路灯间距: 40米 道路宽度: 12米（3 车道） 路灯光型尺寸：40米12米 光束发散角： X 向（沿道路方向）： 120 Y向（垂直道路方向）： 60 平均照度大于20勒克斯，均匀性大于50％ 效率提升50％
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LED应用在市场份额
总量在2004年已经达到125 亿 总量在2008年已经达到540亿
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何为LED照明中的一次光学设计，二次光学设计？
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二次光学设计如何能够解决照明产品中的问题？
大功率LED发光角度一般是120度左右，其光强分布一般是朗伯型分 布（见最左图）。而实际的照明产品中对产品的照明角度及光强分布一 般都不是120度和朗伯型分布（见最右图）。二次光学设计的作用就是把 经过一次透镜后的光再通过一个光学透镜或者反射镜（经过二次光学设 计）等光学组件来改变光线的行进方向及分布以实现所需要照明产品要 求的光束角，光型分布范围，消除眩光及较高的均匀性等要求。
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常规照明光源的限制
大多数LED光源的发散角是从１１０度到１２０度朗伯形分布。不能够满足各种应用的需求，因而 为了满足各种标准的要求需要进行二次光学设计 以路灯为例说明如下： 没有 光学透镜或者反光杯时： • • 大的圆形光斑照在路上，５０％左右的光被 浪费 对驾驶者和行人还会产生眩光，不符合道路 照明标准
•
•
安装的结果使得光分配能满足照明标准。
使光学设计更方便灵活。
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模块式LED路灯所采用的准直透镜
光学准直镜的设计
光线追迹图
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模组式LED路灯模拟
照度分布图
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用于汽车上的LED照明系统
中心开发的车头灯
中心开发的车尾灯
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案例 II - 用于LED道路照明的先进光学
• 因为节能、寿命长、环保、逐渐增加的光输出及价 格降低等特点，LED路灯将逐步替代传统的卤素灯. • 通过光学设计，自由曲面二次光学元件能够提高并 改善光输出。 • 与传统光源相比，采用LED可以提高效率达50％。
Minolta CS-200
QC Bench
能够测量MTF,焦距，F数，后节 距，成像质量，场曲，变形等等
QC Bench
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精密注塑设备
一台精密电动注塑机（Toyo Si 80 ），两台液 压精密注塑机（ Arburg 270U and Battenfeld HM250/60 ），这些注塑设备可以注塑球面 、 非球面、自由曲面光学镜片。
Advanced optics used In LED road lighting
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开发模块式的路灯照明系统
原型灯头实物图
灯头设计效果图
• • • • • • • • • •
220v/50hz 电源 60颗 1 W LEDs 5条散热支架 60w功耗 为国家二级公路设计 灯高: 8 米 道路宽度: 2.5车道 (大约9 米宽) 路灯间隔: 28 米 路面平均照度> 20 勒克斯 每颗LED输出光通 : 60 流明
测量复杂细节，比如切削角，切削半径， 轮廓分析，面形分析， 体分析，两维图像分析
鲨鱼皮
微透镜阵列
非规则面形测量 V形槽测量 6
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先进的测量设备
Minolta CS-200 分色光度计
从LCD、PDP到新一代显示器的有 机EL、FED，再到LED、灯光等光 学设备，本品可对各种光源的辉度、 色度、相关色温进行准确的测量。
Toyo Si 80
ARBURG 270U
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Battenfeld HM250/60
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ＬＥＤ应用的市场趋势
由于有节能，长寿命，环境友好特点，及高的光输出及价格不断下跌。LED照明市场在2008年已经 达到18000百万美元。
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先进光学制造中心
办公室
展示室
接待室 及会议室
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先进的超精密加工设备
快刀伺服加工系统 5轴超精密自由曲面加工系统
4轴超精密自由曲面 加工系统（慢刀伺服）
7轴超精密自由曲面抛光设备
2轴单点金刚石加工设备
LED Road lamp
Advanced optical reflector for LED Road Lighting
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自由曲面反光杯的设计及模拟结果( 工程项目 II )
62 30 62 30
光线追迹结果
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先进的测量设备
Talysurf PGI 1240 测量仪
Wyko NT8000 光学测量仪
Zygo 非接触面型测量仪
Park‘s XE-70: 原子力显 微镜
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先进的测量设备
Alicona IFM G4: 三维光学测量系统
ＬＥＤ照明设计及应用
主要内容：
(I) 先进光学制造中心简介 (II)LED市场趋势 (III)LED应用面临的问题 (VI) 二次光学设计作用 (V) 商业用途案例: Backlight modules背光模组, 汽车车灯，路灯等等 (VI) 集成制造平台
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二次自由曲面光学于LED照明的优势
• • • • • • • 由自由曲面光学产生的光斑能够满足国家道路照明标准。 通过二次光学设计光损可以减少。 有效分配光能。 能够得到超过90%的光效率。 节能可以超过75%。 均匀性可以达到70%-80%。 眩光现象得意避免。
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案例Ｉ-用于车灯照明的自由曲面光学
大功率LED照明产品，其实际过程一般要进行两次光学设计：
一次光学设计： 把LED集成电路封装成LED光源要先进行一次光学设计，一次 光学设计要解决 的是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，其目 的是尽可能地把光从芯片引出来，这就是所说的一次光学设计。 二次光学设计： 一般的大功率LED都有一次透镜，其发光角度为120度左右， 二次光学设计就 是将经过一次透镜后的光再通过一个光学透镜或者反射镜等光学组件来利用光学 中的透设、折射、全反射及反射现象来改变光线的方向及分布以实现所需要照明 产品要求的过程。
LED 路灯
• LED 数量: 72 片 1W。
• 应用: 二级公路，商业区及公园 。 • 路灯安装高度: 8米 。 • 路灯间距: 25米。 • Road width道路宽度: 9米（2.5 车道）。 • 路灯光斑: 25米 x 9米。
• 使用LED路灯能够每年节约1.9亿 千瓦电，节约1.3亿元人民币。
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装配好准直镜的LED路灯模拟图 ( 工程项目 I )
道路照明范围:8mx25m 均匀度：40% 照度分布
光线追迹结果
光线追迹结果
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开发的LED路灯实际测试（工程项目Ｉ）
XY方向光强分布
光强分布
道路照度分布
测试数据通过了国家城镇道路照明标准
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为LED路灯设计的先进光学元件 ( 工程项目 II )
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LED 汽车头灯的光学反光杯的设计
LED 头灯的光学反光杯设计
光线追迹结果
照度分布
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多LED雾灯透镜
3 LED 准直镜
光线追迹结果
照度分布
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用于汽车尾灯系统的精密光学组件
光学透镜阵列
刹车灯
驾驶灯
3-LED 准直镜
转向信号灯
后向灯
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7-LED 准直镜
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汽车尾灯的二次光学设计
照度分布
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用于汽车LED尾灯盖的微透镜阵列的设计
光线追迹结果
枕形透镜盖设计
• 光束角度： X向（道路方向）为120度，Y向（垂直道路方向） 为55度。
• 平均照度：20勒克斯。 • 均匀度：超过40%。
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路灯用准直镜的设计及模拟 ( 工程项目 I )
光线追迹图
8米远照明分布
远场角度分布
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