LED灯具讲义的二次光学设计

二次光学课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解二次光学的基本概念，掌握二次光学元件的工作原理；2. 学会分析二次光学系统中的光路，能运用相关公式计算光学元件的成像特性；3. 掌握二次光学元件在光电设备中的应用，了解其在现代科技领域的重要性。

技能目标：1. 能够运用几何光学原理分析二次光学元件的成像过程，具备一定的光路设计能力；2. 能够通过实际操作，搭建简单的二次光学系统，并调整优化系统性能；3. 能够运用所学知识，解决实际问题，具备初步的光学创新能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对光学科学的兴趣，激发学生探索光学领域的精神；2. 增强学生的团队合作意识，提高沟通与协作能力；3. 培养学生严谨、务实的科学态度，树立正确的价值观。

课程性质：本课程为高二年级物理选修课程，以二次光学为主要内容，旨在提高学生的光学知识水平，培养学生的光学设计和创新能力。

学生特点：高二学生已具备一定的物理基础，对光学有一定了解，具备一定的自主学习能力，但光学知识深度有限。

教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，通过启发式教学，引导学生掌握二次光学知识，提高学生的实际操作能力和创新能力。

在教学过程中，关注学生的学习成果，及时调整教学策略，确保课程目标的实现。

二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. 二次光学基本概念：介绍二次光学元件的定义、分类及光学符号；理解二次光学系统中的光轴、节点、焦距等基本参数。

2. 二次光学元件原理：学习凸透镜、凹透镜、反射镜等二次光学元件的工作原理，掌握其成像特性及相关计算公式。

3. 光路分析：运用几何光学原理，分析二次光学系统中的光路，学会使用矩阵方法进行光路计算。

4. 二次光学系统设计：学习二次光学系统设计的基本原则，了解光学设计软件的使用，培养学生具备光路设计能力。

5. 实际应用：介绍二次光学元件在显微镜、望远镜、摄像头等光电设备中的应用，分析其在现代科技领域的作用。

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。

基于LED大功率扩展光源的二次光学设计【摘要】在目前的低碳环境下，LED照明光源逐步替代传统光源，但是由于其本身结构和自身特点，要进行高效的光能利用与照明，必须进行适当的光学设计以便改善光能分布。

笔者首先阐述了LED的光学特性及二次光学设计，其次对LED大功率扩展光源的二次光学设计进行了深入探讨。

【关键词】LED照明;扩展光源;光学设计Abstract：In the current low carbon environment，LED lighting light source gradually replace the traditional light source，but because of its own characteristics and structure，which carry out efficient energy utilization and lighting，must be proper optical design so as to improve the light energy distribution.The author first expounds the optical properties of leds and the secondary optical design，secondly for high power LED light source expanding secondary optical design has carried on the deep discussion.Keywords：LED lighting;extended light source;optical design随着科技生产力的快速发展，能源的消耗量日益提升，为了节约能源，实现绿色和谐的生产、生活方式及社会的可持续发展，全世界正在向低碳时代转型。

同样，只要能省电，照明也可以是低碳的。

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）。

浅析LED照明的二次光学设计研究摘要：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。

这样N区的电子便跃迁到注入以及价带的空穴复合，而发射出由N型半导体能隙所确定的辐射。

由于P区取得的能隙大，光辐射没能够发射到导带，因此N区结区P区导带价带电子注入空穴注入g发光E中心发光不产生光的吸收，因此能够直接透射到LED外，从而减轻了光能的亏损。

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。