照明灯具与光学系统设计

LED照明灯具与光学系统设计LED照明技术陕西科技大学电气与信息工程学院王进军第七章LED照明光学系统设计7.1 LED照明光学系统设计CAD软件7.2 LED照明光学系统的设计原理7.3 LED照明数据与计算7.2 LED照明光学系统的选择7.3 LED矿灯设计7.4 应用于博物馆文物展示的白光LED照明系统设计7.5 白光LED射灯设计第七章LED照明光学系统设计LED光学系统设计包括LED发光管内的光学设计和LED 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。

LED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。

LDE芯片、反射杯和透镜的几何形状决定了LED出光后的空间光强分布。

第七章LED照明光学系统设计LED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LED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能量。

因此，LED照明光学系统设计主要指的是LED发光外的二次光学设计。

§7.1 LED照明光学系统设计CAD软件计算机辅助设计(CAD)技术的飞速发展，使得照明光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。

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:§7.1 LED照明光学系统设计CAD软件TarcePro光学机构仿真软件、AASP高级系统分析程序、Lighttoo1s照明系统设计软件。

在我国大陆用的较多的是TarcePro ，而台湾地区则以AASP较为流行。

1. TarceProTarcePro是Lambda Research研制的一套以符合工业标准的Aels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、信息转换能力强及易上手的使用界面的仿真软件，它可将真实立体模型与光学分析紧密结合起来。

灯具光学系统设计在照明节能减排中的作用宋刚王建通用电气照明有限公司上海 201203摘要：本文主要根据照明应用场合的具体情况分析，在灯具光学设计时充分考虑CIE 关于绿色照明的理念和要求，首先选择短弧，高光通或高显色性和高流明维持率的光源，其次采用模块化设计全方位组合不同反射功能的反光罩和遮光罩，控制光的投射方向和光束形状，同时改善照明灯具控光材料的光学性能，提高灯具的光输出效率，降低灯具溢出光及偏射光，减小人工照明形成的天空杂散光，提高照明场合的照明水平和视觉舒适度，控制光污染，节省能源，降低照明成本。

关键词：光学设计（optics design）；照明灯具(luminaire)；绿色照明(green lighting)；溅射光(spill light)；一、引言灯具作为照明单位器件，从功能方面可划分为机械结构及安装系统、电器及照明控制系统和光学照明系统，这三者相互作用，相互依赖，相互交融组成一个完整的灯具。

其中灯具光学照明系统是实现灯具照明功能的终端执行部件，该系统主要包括光源和控光系统，它的工作最终体现灯具的使用性能。

“绿色照明”是一个针对照明场合的要求，它的科学定义为：通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品（电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材以及调光和控光器件），改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。

“绿色照明”是20世纪９０年代初期照明行业提出的一个全新方针，它的出发点是节约能源、保护环境。

实施绿色照明的宗旨是发展和推广高效照明器具，节约照明用电，建立优质、高效、经济、舒适、安全、有益的环境，绿色照明不仅要求节能，还要在满足对照明质量和视觉环境条件的要求下实现节能，因此不能单纯依靠降低照明标准来实现上述目的，而是要提高整个照明系统的节能能力，在同样的照明标准和照明质量下用通过更少的灯具和更低的功率消耗来实现。

LED汽车灯具结构设计及光学设计浅谈发表时间：2020-06-02T10:49:56.387Z 来源：《工程管理前沿》2020年第6卷3月6期作者：王宇[导读] 随着汽车电子技术的不断发展，汽车车灯种类不断增多。

摘要：随着汽车电子技术的不断发展，汽车车灯种类不断增多。

汽车车灯设计不仅要求具有照明功能，还要有装饰功能。

汽车大灯的基本功能还是照明，照明效果与配套装饰效果日益突出，不同类型的车辆配备不同的车灯照明。

LED是一种新型的半导体光源，其具有节能环保、响应时间短、颜色饱和度高等诸多优势，LED汽车前照灯在高端车型上应用具有很好的前景。

关键词：新型LED灯汽车灯设计 LED灯具是利用LED作为光源制造的照明器具，被誉为第四代照明灯具，LED照明灯具在汽车照明、商业照明等领域有了广泛的应用。

LED在车内照明、应急灯等方面的应用取得了显著成效，随着LED照明技术的快速发展，LED前照明技术的应用具有良好的普及前景。

对LED汽车灯的设计研究具有重要的意义。

1 汽车灯简介1.1 汽车灯的种类汽车的安全性能最终目的是保护驾驶员及车内人员安全，随着科技的发展，汽车灯已不仅是车辆的照明基础设施了，日间行车灯等设施的诞生使车辆的安全性得到了进一步的提升。

汽车灯主要种类包括组合前照灯、组合尾灯与牌照灯。

组合前照灯在车辆前部，前照灯发出的光可照亮车体前方道路，组合前照灯按光源不同分为卤钨灯、疝气灯。

组合尾灯在车辆后部，其主要作用其发出行车信号，后车灯由后尾灯、倒车灯、制动灯、后转向灯灯组成。

左右制动灯是后车灯的重要组成部分，制动灯是提示后车减速的灯，现在的制动灯一般为雾灯[1]。

高温制动灯安装在车尾上部，使后车易于发现车制动，其作用是警示后方车辆，避免发生追尾事故。

倒车灯在驾驶者挂上倒档时自动开启，其作用是夜间照明。

转向信号灯用以向行人及车辆表示车辆转向的灯具。

转向灯分为前后转向与侧转向。

1.2 LED汽车灯LED灯在汽车方面的应用非常丰富，常见的是刹车灯及转向灯，装配LED照明灯具的汽车价格呈现降低趋势，如比亚迪、上汽通用凯悦等车型后组灯广泛地应用LED光源。

汽车灯具的光学设计与照明效果优化在现代社会，汽车已经成为了人们生活中不可或缺的交通工具。

然而，随着汽车行业的不断发展，人们对于汽车照明系统的要求也越来越高。

好的汽车灯具不仅要具备良好的照明效果，还要满足美观、节能等方面的需求。

因此，汽车灯具的光学设计与照明效果优化成为了汽车工程技术领域的热点研究课题。

一、汽车灯具的光学设计光学设计是汽车灯具研发中不可忽视的环节。

它通过优化灯光的反射、折射等物理过程，使得光线能更好地聚焦在道路或者是其他目标物上。

在汽车灯具的光学设计中，常用的方法包括反射法、折射法等。

1. 反射法反射法是一种常用的光学设计方法。

通过合理设计灯具的反射面曲线，可以实现光线的有效反射，提高灯具的照明效果。

在反射法中，不同材质的反射杯也会对光线的反射效果产生影响，因此，在灯具的光学设计中，选择合适的反射材料也是非常重要的。

2. 折射法折射法是通过光线经过灯具表面的折射来实现照明效果的。

灯具的折射率与灯具的照明效果密切相关。

较高的折射率可以使得光线更好地扩散，提高照明的均匀性。

在折射法中，设计合适的灯罩结构也是重要的一环，它能够使得光线朝着需要照明的目标物集中，减少能量损失。

二、照明效果优化除了光学设计外，照明效果的优化也是汽车灯具设计中非常重要的一个方面。

优化照明效果不仅可以提高驾驶者的视野，提升行车安全性，还可以提升汽车的外观美观度。

下面将从照明类型、灯具布局和照明亮度等三个方面介绍如何优化汽车灯具的照明效果。

1. 照明类型根据不同的用途，汽车灯具可以分为远光灯、近光灯、示宽灯、制动灯等。

不同类型的照明需要具备不同的特点。

例如，远光灯需要具备强大的照明能力，以满足在夜间行驶时的远距离照明需求；而近光灯则需要在保证照明效果的同时，不会对前方来车造成干扰。

因此，在汽车灯具的设计中，照明类型的选择与设计要素的协调是非常关键的。

2. 灯具布局灯具布局是指汽车上各个灯具的摆放位置以及数量。

合理的灯具布局可以使得汽车在不同场景下都能达到良好的照明效果。

照明光学设计原理及技巧
照明光学设计是指基于光学原理和技巧来设计照明系统，以实现高效、均匀、舒适的照明效果。

在进行照明光学设计时，以下是一些重要的原则和技巧：
1. 光的投射与散射：光源发出的光线需要经过适当的反射、折射和散射，以实现所需的光照效果。

通过使用不同材料的反射镜、透镜和衍射元件，可以控制光的方向、强度和分布。

2. 光束的控制：通过使用凸透镜、聚光灯和反射器等光学元件，可以控制光束的聚焦或扩散，以实现需要的照明形式。

例如，聚光灯可以将光束集中到一个特定区域，而反射器则可以将光束扩散到更大的区域。

3. 颜色温度和色彩还原性：照明系统的颜色温度和色彩还原性对于创造舒适的照明体验至关重要。

颜色温度通常通过选择合适的光源来实现，而色彩还原性可以通过光源的CRI（Color Rendering Index）来评估和优化。

4. 照明平衡与均匀性：在设计照明系统时，需要确保光线在被照明区域内的分布均匀且平衡。

通过合理布置灯具、采用适当的光线控制装置和良好的灯具排布，可以实现更均匀的光照效果。

5. 照度和照射度：照度是指单位面积上接收到的光照量，而照射度是指光源发出的光线通过单位面积的强度。

在照明光学设计中，需要根据照明需求和使用环境，合理地选择照度和照射
度的数值。

6. 舒适和节能：照明系统既要满足人眼的舒适感受，又要考虑节能和环保。

通过合理控制照明亮度、色温和照明效果，可以达到提供舒适照明的同时最大限度地减少能源消耗。

照明光学设计是一个综合性的工程领域，需要考虑多个因素并进行合理权衡。

通过掌握照明光学的基本原理和技巧，设计出高效、均匀、舒适的照明系统将变得更加容易。

扩展光源准直照明系统的光学设计及其照明性能的研究摘要在超远距离准直照明等特种照明领域中，大功率白光发光二极管(LightEmitting Diode, LED)光源有着极高的使用价值。

但是由于该光源的发光面尺寸不可忽略，属于扩展光源，因此在使用时势必会造成准直照明系统出射光束的发散，该发散特性将会影响其照明距离与照明效果。

针对上述问题，本文从理论推导、软件仿真与实验测试三个方面对以下内容进行了研究。

(1)本文首先基于费马原理，推算出了准直平凸透镜的解析表达式，并设计出了一套以自由曲面构建技术为基础的平凸准直透镜的面型设计算法。

(2)以成像光学相关理论为基础，推导出了在扩展光源准直照明系统中，出射光束发散角的计算公式，研究了扩展光源准直照明系统的结构参数对出射光束发散特性的影响。

以出射光束发散特性理论为基础继续对准直照明系统进行深入研究，推导出了扩展光源准直照明系统的极限照明距离和可照明半径的表达式。

并分别分析了光学系统的横向尺寸和纵向尺寸对极限照明距离和可照明半径的影响。

(3)在光学软件中对上述理论进行了仿真模拟，仿真结果与理论预期相符。

在此基础上，将所设计具有最优结构参数的透镜进行实体加工，与CREE公司生产的大功率LED光源共同封装成探照灯进行实验测试，进一步证实了本文理论的正确性与实用性。

(4)以本文理论为指导，设计了一款超远距离探照灯，该探照灯的横向尺寸为75cm,电功率为149W,能够在2公里处实现半径为35.1m、照度为1.321x的圆形区域照明，光束发散角度为1。

，准直性极高，照度均匀性优良，各项指标符合设计要求。

本文的研究内容揭示了扩展光源准直照明中影响极限照明距离的关键因素。

对于超远距离探照灯、高速车辆照明灯、搜救灯、舞台追光灯的设计制造具有重大的理论指导意义。

第一章绪论现如今，照明己是人们日常工作、生活和生产中不可缺少的重要组成部分。

传统的照明光源以白炽灯为主，但是该产品耗能高、光效低且寿命短，在当下全球能源己被过度消耗、能源储量十分紧张的大环境下，白炽灯逐渐被各个国家禁止生产，取而代之的是节能灯。

光学系统设计过程介绍关键词：光学系统设计光学传递函数象差所谓光学系统设计就是根据使用条件，来决定满足使用要求的各种数据，即决定光学系统的性能参数、外形尺寸和各光组的结构等。

因此我们可以把光学设计过程分为4 个阶段：外形尺寸计算、初始结构计算、象差校正和平衡以及象质评价。

一、外形尺寸计算在这个阶段里要设计拟定出光学系统原理图，确定基本光学特性，使满足给定的技术要求，即确定放大倍率或焦距、线视场或角视视场、数值孔径或相对孔径、共轭距、后工作距离光阑位置和外形尺寸等。

因此，常把这个阶段称为外形尺寸计算。

一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。

在计算时一定要考虑机械结构和电气系统，以防止在机构结构上无法实现。

每项性能的确定一定要合理，过高要求会使设计结果复杂造成浪费，过低要求会使设计不符合要求，因此这一步骤慎重行事。

二、初始结构的计算和选择、初始结构的确定常用以下两种方法：1．根据初级象差理论求解初始结构这种求解初始结构的方法就是根据外形尺寸计算得到的基本特性，利用初级象差理论来求解满足成象质量要求的初始结构。

2．从已有的资料中选择初始结构这是一种比较实用又容易获得成功的方法。

因此它被很多光学设计者广泛采用。

但其要求设计者对光学理论有深刻了解，并有丰富的设计经验，只有这样才能从类型繁多的结构中挑选出简单而又合乎要求的初始结构。

初始结构的选择是透镜设计的基础，选型是否合适关系到以后的设计是否成功。

一个不好的初始结构，再好的自动设计程序和有经验的设计者也无法使设计获得成功。

三、象差校正和平衡初始结构选好后，要在计算机上用光学计算程序进行光路计算，算出全部象差及各种象差曲线。

从象差数据分析就可以找出主要是哪些象差影响光学系统的成象质量，从而找出改进的办法，开始进行象差校正。

象差分析及平衡是一个反复进行的过程，直到满足成象质量要求为止。

四、象质评价光学系统的成象质量与象差的大小有关，光学设计的目的就是要对光学系统的象差给予校正。

浅析光学在照明设计中的应用摘要：住宅室内环境设计不仅要满足基本的生活需要，而且要创造节能、环保、满足精神生活需要的舒适环境。

住宅室内环境设计与光照、装饰材料的质与色、家具等的选择密切相关。

在光照下，室内的形、色、质融为一体，能够赋予人们以综合的视觉心理感受。

只有合理地选择室内光照形式、光源色温、灯具造型、装饰材料的质与色等，才能得到令人满意的效果。

关键词：光；环境设计选择原则一、光的物理特性光的传播方式有辐射、反射、折射等，它的量度有光通量、发光强度、照度、亮度、色温、显色指数等技术指标，重点介绍色温和显色性。

1、色温不同的光源有不同的光色，所产生的环境气氛及其表现的环境艺术效果也不一样。

红、橙、黄色的低色温光源，给人以热情、温暖、兴奋、动态之感。

住宅的起居室是家人共聚之地，采用低色温光源的照明，可使起居室的生活气氛更加浓郁温馨。

蓝、绿、紫色的高色温光源，能给人以宁静、凉爽、幽雅之感，适合在读书、写字等室内空间，以提高注意力和工作效率。

２、显色指数（ra）光源对物体的显色能力称为显色性。

在光源的照射下，使人们对物体表面的颜色能正确识别，住宅照明光源的一般显色指数(ra)在新标准中确定为宜大于80以上。

二、装饰材料的光学特性房间内某处的照度值大小、照度的均匀度、眩光等，不仅由室内照明灯具直接照射形成，而且还包括由于室内壁面对光反射所致。

室内壁面装饰材料表面的光滑程度和颜色不同对光线的反射、吸收程度不同，而且会导致光在分布上发生不同的变化，从而导致室内的光环境有所不同。

例如，粗糙装饰材料表面会使光线发生漫发射，使室内的光线更均匀；光滑装饰材料表面会使光线发生定向发射，有可能造成眩光。

又如，颜色深的表面，反射的光通量少，室内照度值由于反射提高的会少。

反之，浅色装饰材料表面的反光系数大，壁面反射会提高室内的照度，在满足照度要求的前提下，可节约能源。

三、住宅室内环境设计住宅光环境的营造除了要满足基本照明功能外，还要与室内装修布置和家具风格相协调，形成有利于提高工作效率、增进身心健康的舒适室内环境。

灯具设计中的光学效果仿真与优化方法研究在灯具设计中，光学效果的仿真与优化方法是至关重要的。

灯具的设计不仅要考虑到外观和功能，更重要的是要注重光学效果的表现。

光学效果的仿真与优化，可以帮助设计师在灯具设计的初期就能够预测和调整光学效果，提高设计效率，节约开发成本，并最终实现更好的照明效果。

在灯具设计中，光学效果主要包括光束形状、光强分布、色彩效果等。

光束形状是指灯具发出的光线的分布形状，可以是点光源、柱光源、面光源等不同形状。

光束形状的仿真与优化可以通过光线追迹技术来实现，即根据灯具的几何形状和光源的位置、能量等参数，通过模拟光线的传播路径来预测光束形状。

在仿真过程中，可以通过调整灯具的几何形状和光源的位置等参数来优化光束形状，以满足设计需求。

光强分布是指灯具发出的光线在空间中的分布情况。

在灯具设计中，光强分布的均匀性是一个重要的指标，可以通过光学仿真软件进行预测和优化。

光学仿真软件可以在计算机上建立灯具的模型，并根据光源的特性和灯具的几何形状等参数，计算出灯具发出的光线在空间中的分布情况。

通过调整光源的位置、光源的能量等参数，可以优化光强分布，使其更加均匀。

色彩效果在灯具设计中也是非常重要的。

色彩效果的仿真与优化可以通过光学设计软件来实现。

光学设计软件可以根据灯具的几何形状和光源的特性等参数，计算出灯具发出的光线的光谱分布。

通过调整光源的颜色、光源的能量等参数，可以优化色彩效果，以满足设计需求。

在灯具设计中，光学效果的仿真与优化方法有多种。

一种常用的方法是基于几何光学理论的光线追迹方法。

光线追迹方法通过模拟光线的传播路径，可以预测和优化灯具的光学效果。

另一种常用的方法是基于光学设计软件的光学仿真方法。

光学仿真软件可以根据灯具的几何形状和光源的特性等参数，计算出灯具发出的光线的光束形状、光强分布和色彩效果，以实现灯具的光学效果仿真与优化。

在进行光学效果的仿真与优化时，需要考虑到灯具的实际应用环境。