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1、LED照明光学照明光学Sunny 一一二二三三主要内容主要内容光与照明基础知识光与照明基础知识LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法四四 LED二次光学设计示例二次光学设计示例二二LED产业范围与照明应用产业范围与照明应用零零前言前言 前言前言l光源发展简史与光源发展简史与ledledl什么是光？什么是光？l光源应用中其中要考虑的重要光源应用中其中要考虑的重要几点几点零零 前言前言l光源发展简史光源发展简史零零 前言前言l光源发展简史光源发展简史零零什么是什么是LEDlLED的全称Light Emitting Diode,即发光二极管，是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯

2、片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。前言前言零零l光源发展简史光源发展简史 前言前言零零l光源发展简史光源发展简史8LED优点优点l高光效 高节能l光源方向性好 l光色多 l安全性高 环保l寿命长 l光源快速响应 l灯具结构合理 l运行成本低 前言前言零零 前言前言零零1.直插型 Lamp-LED2.贴片型(SMD)LED 分类3.3.功率型（功率型（POWERPOWER）前言前言零零数码管(Display)普通LED(P2)食人鱼(P4)贴片(SMD)大功率(High Power Led)小

3、功率小功率（low low powerpower）大功率大功率（High powerHigh power）LEDLED分类分类 前言前言零零LED灯珠的结构：前言前言零零扩晶固晶烘烤焊线灌胶配胶短烤长烤切一(上Bar)电镀切一(负极)排测&外观切二分光点荧光胶烤荧光胶配粉白光包装LED封装流程工艺 前言前言零零实现白光LED的三种方法 蓝光+黄色荧光粉 紫外光+荧 光粉 RGB 前言前言零零LED光电特性测试设备积分球亮度计 前言前言零零常见照度（勒克斯）：阳光直射(正午)下:110000阴天室外:1000商场内:500阴天有窗室内:100普通房间灯光下:100满月照射下:0.2照度计 前言前

4、言零零LEDLED防静电：防静电：LED产品在加工生产的过程中要采取防静电措施，如：工作台要接地，工人要穿防静电服装，带防静电环，以及带防静电手套等，有条件的可以安装防静电离子风机，进入生产车间人员做人体静电综合测试等，同时要保证生产车间的湿度在65%左右，以免空气过于干燥产生静电，尤其是绿色LED容易被静电损坏。另外，不同质量档次的LED抗静电能力也不一样，质量档次高的LED抗静电能力要强一些。据统计，由于操作不当，LED产品有30%被静电损坏。前言前言l什么是光？什么是光？零零 前言前言l光的产生？光的产生？零零 前言前言l光的产生？光的产生？零零 前言前言光源应用中其中要考虑的重要几光源

5、应用中其中要考虑的重要几点：点：零零 前言前言光源应用中其中要考虑的重要几光源应用中其中要考虑的重要几点：点：零零 前言前言光源应用中其中要考虑的重要几光源应用中其中要考虑的重要几点：点：零零一、一、LED产业范围与照明应用产业范围与照明应用“北京奥运会”相信奥运会开幕式的“梦幻长卷”和“梦幻五环”大家还记忆犹新，它被展现在一个4564平方米的巨大LED大屏幕上，这是迄今为止世界上最大的单体全彩色大屏幕，升入空中的“梦幻五环”，则是由4.5万颗LED灯编排而成的。梦幻长卷梦幻五环一、一、LED产业范围与照明应用产业范围与照明应用“水立方”LED照明除了比用常规照明至少节能60%以外，还拥有长寿

6、命、易集成、快响应、利环保、光分布易于控制、色彩丰富等优势。以“水立方”为例，仅使用LED灯的“水立方”景观照明工程，预计全年可比传统的荧光灯节电74.5万千瓦时，节能达70%以上。一、一、LED产业范围与照明应用产业范围与照明应用机场机场高铁高铁地铁地铁一、一、LED产业范围与照明应用产业范围与照明应用一、一、LED产业范围与照明应用产业范围与照明应用材料外延材料外延芯片制作芯片制作芯片封装芯片封装模组与灯具模组与灯具照明照明显示显示交通照明交通照明汽车灯饰汽车灯饰景观照明景观照明广告标志广告标志特种照明特种照明室外照明室外照明室内照明室内照明背光源背光源显示屏显示屏光学问题光学问题一、一、

7、LED产业范围与照明应用产业范围与照明应用一、一、LED产业范围与照明应用产业范围与照明应用芯片光引芯片光引出技术出技术二次光学二次光学设计设计一次光学一次光学设计设计应用需求应用需求光学问题光学问题一、一、LED产业范围与照明应用产业范围与照明应用二、光与照明基础知识二、光与照明基础知识lLEDLED照明中基本光学概念照明中基本光学概念l光与人的关系光与人的关系l配光曲线详解配光曲线详解lLEDLED绿色照明的含义绿色照明的含义1、LED照明中基本光学概念照明中基本光学概念l光度学：光度学：光通量、发光强度、光照度、亮度、发光光通量、发光强度、光照度、亮度、发光效率效率l色度学：色度学：颜色

8、、色温、显色性颜色、色温、显色性二、二、光与照明基础知识光与照明基础知识A、光度学：、光度学：光通量（流明，光通量（流明，lm）l 光源每秒发出可见光量的总和，即光通量；通用 来表示，单位为流明（符号为lm).光照度（勒克斯，光照度（勒克斯，lx）单位面积的光通量单位面积的光通量,1 lux=1 lm/m2满月夜晚地面：0.2 lx；白天室内：100-500 lx次干道路灯：10-15 lx；主干道路灯：20-30 lx；光源在指定方向上单位立体角所发的光通量叫发光强度.常用I来表示，单位为坎德拉或烛光（cd).发光强度（发光强度（c d）亮度（亮度（cd/）光源在指定方向上单位面积单位立体角

9、所发的光通量叫亮度.，常用L来表示，单位坎德拉每平方米（cd/)或坎德拉每平方厘米（cd/).光效（流明光效（流明/瓦，瓦，lm/W）单位电功率所输出的光通量单位电功率所输出的光通量光束角光束角：通常称角度，指垂直光束中心线之一平面上，发光强度等于50%最大发光强度的二个方向之间的夹角。常用灯具光源主要参数常用灯具光源主要参数B、色度学色度学色温与人体感觉色温与人体感觉光源光源色温范围色温范围光色类型光色类型人体感觉人体感觉蜡烛、高压钠蜡烛、高压钠灯，白炽灯、灯，白炽灯、暖白色荧光灯暖白色荧光灯5000K冷色清冷色温：色温是用绝对温度K来表示，即将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时，颜色开始

10、由深红浅红橙红白蓝，逐步改变，当光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体的绝对温度称为该光源之色温。l显色性显色性 显色性即光源照射到物体上，呈现物体颜色的程度。显色性越高，则光源对颜色的表现较好，我们见到的颜色也就越接近自然颜色。2、光与人的关系、光与人的关系l眩光眩光l色温、照度与舒适度色温、照度与舒适度二、二、光与照明基础知识光与照明基础知识l眩光眩光 眩光是由于光线的亮度分布不适当或者亮度变化太大所产生的刺眼效应它分直射眩光和反射眩光两种形式。直射眩光是指光源发出的光线直接射入人眼；反射眩光是指具有光泽的墙面，桌子，镜子等物面上反射的光刺入人眼。强烈的眩光会使室内光线不和谐，使人感到不舒适，

11、严重时会觉得晕眩，甚至短暂失明。2、光与人的关系、光与人的关系二、二、光与照明基础知识光与照明基础知识l眩光眩光 2、光与人的关系、光与人的关系二、二、光与照明基础知识光与照明基础知识l光色、照度和舒适度光色、照度和舒适度 2、光与人的关系、光与人的关系二、二、光与照明基础知识光与照明基础知识照度与易读性的关系照度与易读性的关系学习和办公：大于学习和办公：大于300lx 2、光与人的关系、光与人的关系二、二、光与照明基础知识光与照明基础知识不同场合和劳动形式的推荐照度不同场合和劳动形式的推荐照度 2、光与人的关系、光与人的关系二、二、光与照明基础知识光与照明基础知识 3、配光曲线详解二、二、光

12、与照明基础知识光与照明基础知识l环保、节能环保、节能，有利于提高人们生产、工有利于提高人们生产、工作、学习效率和生活质量，促进身心健作、学习效率和生活质量，促进身心健康的照明康的照明。4、LED绿色照明的含义二、二、光与照明基础知识光与照明基础知识三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法3 个主要的设计方法个主要的设计方法1.无二次光学lLED直接安装在一定高度上2.“直接”光学lLED的光经过二次光学作用后直接照射到地面 3.“间接”光学lLED的光经过二次光

13、学反射后通过反射面照射到地面 评价：由于效率性能和美学原因每种方法都有它的优点和缺点三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法无二次光学无二次光学如果你选择的LED的光分布是可以达到要求的 那么这个方式是非常不错的大部分高亮度LED的光强分布都是朗伯分布l如果你选择的LED的配光很窄，那么可以通过倾斜的方法来配合整体的分布基本上的倾斜，有同样的类型配合问题。l从很多不同角度直接观察光源可能会引起眩光l应用光学效率很难控制三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法l可以进行光学分布的跟踪-重叠l可以很好的应用高功率的LED -可以转换LED的朗伯分布为其它更有用的

14、分布l可以减少光源可以被直接看到的那些角度的光l应用光学效率可能会高于无二次光学的情况.l二次光学可以是利用折射或反射“直接直接”光学光学三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法lLED不是直接向上或向下安装的l可利用二次光学改变LED 光线的方向来照射地面l可能不会直接看到光源l很难有效的利用朗伯分布的LED 的光并很好的控制光线的方向“间接间接”光学光学三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法lLED二次光学设计实现类型二次光学设计实现类型l反射杯l透镜l反射杯和透镜的结合一般说来，透镜比反射杯更有效的改变光形三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学

15、设计原理与方法1.硅胶透硅胶透镜镜；a.因因为为硅胶耐温高（也可以硅胶耐温高（也可以过过回流回流焊焊），因此常用直接封装在），因此常用直接封装在LED芯片上；芯片上；b.一般硅胶透一般硅胶透镜镜体体积较积较小，直径小，直径3-10mm；2.PMMA透透镜镜a.光学光学级级PMMA（聚甲基丙（聚甲基丙烯烯酸甲酸甲酯酯，俗称：，俗称：亚亚克力）克力）b.塑胶塑胶类类材料，材料，优优点：生点：生产产效率高（可以通效率高（可以通过过注塑完成）；透光率高（注塑完成）；透光率高（3mm厚度厚度时时穿透率穿透率93%左右）；缺点：耐温左右）；缺点：耐温70%（热变热变形温度形温度90度）；度）；3.PC透透

16、镜镜a.光学光学级级Polycarbonate（简简称称PC）聚碳酸）聚碳酸酯酯b.塑胶塑胶类类材料，材料，优优点：生点：生产产效率高（可以通效率高（可以通过过注塑完成）；耐温高（注塑完成）；耐温高（130度以上）；度以上）；缺点：透光率稍底（缺点：透光率稍底（87%）；）；4.玻璃透玻璃透镜镜光学玻璃材料，具有透光率高（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）耐温高等特点，缺点：易碎、非球面精度不易易实现实现、生、生产产效率低、成本高等。效率低、成本高等。LED透镜的材料种类透镜的材料种类三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法Spill

17、over反射镜反射镜使用反射表面去改变光形使用反射表面去改变光形反射镜的最大作用是矫正光线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）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溢出的光学围绕在中心光线的四周反射镜容易制备且相对便宜反射镜容易制备且相对便宜反射镜的形状决定光形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提供普通的泛光照明反射镜能够控制光线数量

18、的大小跟光源与反射镜的相对尺寸成正比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光源尺寸越小，反射镜越能更好控制光线三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法溢出角计算溢出角计算LD全溢出角全溢出角:2*spillover=arctan(D/2)/L)56三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法LED 加反射镜加反射镜单纯依靠反射镜有可能得不到目标光形单纯依靠反射镜有可能得不到目标光形+LED only反射镜反射镜目标区域目标区域三、三、LED二次光学设计原理与方

19、法二次光学设计原理与方法TIR 透透镜镜：Total Internal Reflection Lens:TIR 透镜管理直接和反射的光线58管理直接和反射的光线管理直接和反射的光线在光线出系统前，光线通过至少在光线出系统前，光线通过至少2 2个表面个表面在小的尺寸下依旧有效在小的尺寸下依旧有效相对反射镜价格贵相对反射镜价格贵三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法多芯片LED TIR透镜 通过通过TIR透镜能够在对照度有特殊要求中透镜能够在对照度有特殊要求中 得到很好的应用得到很好的应用+OKGoodGood+XPE LED TIR透镜三、三、LED二次光学设计原理与方法二次

20、光学设计原理与方法二次光学设计软件：二次光学设计软件：tracepro,lighttools,asap,speos,zemax常用光学设计软件：常用光学设计软件：tracepro光学设计流程：光学设计流程：三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法三、三、LED二次光学设计原理与方法二次光学设计原理与方法Tracepro设计实例设计实例l设计要求：l光源：Cree LED Q4 110lml光斑要求：1米处

21、最大光斑直径不于小1米，中心光斑直径不于小0.12米l照度要求：1米处最大照度要达到4000luxl透明件：3mm 钢化玻璃l反光杯尺寸：25*20mm 三、三、LED二次光学设计示例二次光学设计示例l分析设计要求l光源 总光通量110lm 半光强角度110度l配光 截光角不应小于27度 半光强角不小于6度l照度 中心光强为4000cd通过分析，可以得出：设计需要一个聚光的反光杯，且反光杯的口径与深度的比值接近于1.Tracepro设计实例设计实例三、三、LED二次光学设计示例二次光学设计示例l导入光源 InsertsourceTracepro设计实例设计实例三、三、LED二次光学设计示例二次

22、光学设计示例l建立模型 InsertReflectiorTracepro设计实例设计实例三、三、LED二次光学设计示例二次光学设计示例l建立好模型后，需要通过ApplyProperties来为模型添加表面属性。点击导航区中模型的名字，然后鼠标右键，选择ApplyProperties，在ApplyProperties中选择Surface。在Surface的下拉表格中有多种反射面模式，可以根据自己的需要选择合适的反射面，也可以点击View Date，自定义反射面的属性。如图：自定义一个反射系数为0.7的反射面。光线打在此面上后，将有70%的光线被反射。Tracepro设计实例设计实例三、三、LED

23、二次光学设计示例二次光学设计示例l反光杯建好后，材料属性也定义完毕，需要根据要求在反光杯的前方添加3mm的钢化玻璃。Tracepro设计实例设计实例三、三、LED二次光学设计示例二次光学设计示例l查看模拟结果 直角坐标配光曲线从模拟的结果中可以得出，半光强角为6度。Tracepro设计实例设计实例三、三、LED二次光学设计示例二次光学设计示例l查看模拟结果 光斑照度从模拟的结果中可以得出，1米处光斑的直径略大于1米，中心的最大照度为1076lx，平均照度16.2lx。Tracepro设计实例设计实例三、三、LED二次光学设计示例二次光学设计示例l分析结果 上述的模拟结果，光源的光通量为26.4

24、lm。当光源的光通量为120lm时，半光强角不变，光斑的大小尺寸不变，中心光强为6086.8cd，1米处最大照度为4552lx。对比设计要求，符合设计需要，设计完毕。Tracepro设计实例设计实例三、三、LED二次光学设计示例二次光学设计示例二次光学设计常用元件：二次光学设计常用元件：透镜、非球面反射杯透镜、非球面反射杯 二次光学设计常用元件：二次光学设计常用元件：自由曲面路灯透镜（单个）自由曲面路灯透镜（单个）二次光学设计常用元件：二次光学设计常用元件：自由曲面路灯透镜（模组）自由曲面路灯透镜（模组）二次光学设计常用元件：二次光学设计常用元件：自由曲面路灯透镜（配集成封装自由曲面路灯透镜（配集成封装LED)Led应用照明效果应用照明效果室内：室内：Led应用照明效果应用照明效果室内：室内：Led应用照明效果应用照明效果室外：室外：Led应用照明效果应用照明效果 室外：室外：Thanks