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1、照明设计设计及应应 用主要内容：THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學2(I)先进进光学制造中心简简介(II)LED市场趋势场趋势(III)LED应应用面临临的问题问题 (VI)二次光学设计设计作用(V)商业业用途案例: Backlight modules背光模组组, 汽车车车车灯，路灯等等(VI)集成制造平台香港理工大学先进进光学制造中心办办公室THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學3展示室接待室 及会议议室先进进的超精密加工设设 备备2轴单点金刚石加工设 备5轴超精密自由曲面加工系 统快刀伺服加工系 统
2、7轴超精密自由曲面抛光设 备4轴超精密自由曲 面4加工系统（慢刀伺服 ）Talysurf PGI 1240 测测量仪仪先进进的测测量设备设备Wyko NT8000 光学测测量仪仪Zygo 非接触面型测测量仪仪Parks XE-70: 原子力显显 微镜镜THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學5ERSITYAlicona IFM G4: 三维维光学测测量系统统测量复杂细节 ，比如切削角，切削半径， 轮廓分析，面形分析 ， 体分析，两维图 像分析先进进的测测量设设 备备微透镜阵列非规则规则面形测测量 THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNI
3、V 香港工大學V形槽测测量6鲨鱼鲨鱼 皮Minolta CS-200 分色光度计计从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。Minolta CS-200QC Bench能够测量MTF,焦距，F数，后节 距，成像质量，场曲， 变形等等THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學7QC Bench先进进的测测量设备设备精密注塑设备设备一台精密电动 注塑机（Toyo Si 80），两台 液 压精密注塑机（Arburg 270U and Battenfeld HM25
4、0/60），这些注塑设备 可以注塑球面、 非球面、自由曲面光学镜片 。Toyo Si 80Battenfeld HM250/60THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學8ARBURG 270U应应用的市场趋势场趋势由于有节节能，长长寿命，环环境友好特点，及高的光输输出及价格不断下跌。LED照明市场场在2008年已 经经 达到18000百万美元。THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學9LED应应用在市场场份额额总量在2004年已经达到125 亿总量在2008年已经达到540 亿THE HONG KONGPOLY
5、TECHNIC UNIVERSITY 香港工大學10何为为LED照明中的一次光学设计设计，二次光学设计设计 ？THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學11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
6、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。二次光学设计设计如何能够够解决照明产产品中的问题问题 ？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。THE HONG KONGPOLY
7、TECHNIC UNIVERSITY 香港工大學12LED应应用目前存在的问题问题THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學13LED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
8、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 。常规规照明光源的限制光损约 50%14没有透镜镜的路灯光斑有光学透镜镜或者反光杯时时： 会形成一个方形的光斑，能满满足道路照明标标准。 光学效率及光斑均匀性会得到提高 矩形光斑有透镜镜的路灯光斑圆形光 斑大多数LED光源的发发散角是从度到度朗伯形分布。不能够满够满足各种应应用的需求，因而 为为了满满足各种标标准的要求需要进进行二次光学设计设计以路灯为为例说说明如下： 没有光学透镜镜或者反光杯时时：大的圆圆形光斑照在路上，左右的光被 浪费费 对驾驶对驾驶 者和行人还还会产产生眩光，
9、不符合道 路 照明标标准自由曲面光学及其应应用优势优势二次自由曲面光学于LED照明的优势优势 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。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。153-LED 准直镜镜7-LED 准直镜镜枕形透镜阵镜阵 列THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學16案例-用于车车灯照明的
10、自由曲面光学LED 准直镜镜采用3WLED 汽车头车头灯的设计设计，准直镜镜，枕形透镜阵镜阵 列用于分配光的枕形透 镜镜 阵阵3W LED 光源 LED 准直透镜镜THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學17汽车头车头灯的自由曲面二次光学设计设计汽车头车头灯的自由曲面二次光学设计设计采用准直镜镜和枕形透镜阵镜阵列的LED头头灯的设设 计计采用准直镜镜及枕形透镜镜的LED汽车头车头 灯产产生所需要的光斑LED 头头灯的原型样样 品THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學18光线线追迹结结 果LED 汽车头车头灯的
11、光学反光杯的设计设计LED 头头灯的光学反光杯设设 计计照度分布19多LED雾雾灯透镜镜照度分布光线线追迹结结 果3 LED 准直镜镜THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學20用于汽车车尾灯系统统的精密光学组组件驾驶 灯光学透镜阵镜阵列 刹车灯后向灯转向信号灯3-LED 准直镜镜7-LED 准直镜镜THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學21汽车车尾灯的二次光学设计设计照度分布THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學22用于汽车车LED尾灯盖的微透镜阵镜阵列的设计设计
12、THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學23枕形透镜镜盖设设 计计光线线追迹结结 果照度分布图图用于汽车车上的LED照明系统统中心开发发的车头车头 灯中心开发发的车车尾 灯THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學24Advanced optics used In LED road lighting 因为节为节能、寿命长长、环环保、逐渐渐增加的光输输出及价 格降低等特点，LED路灯将逐步替代传统传统的卤卤素灯. 通过过光学设计设计，自由曲面二次光学元件能够够提高并 改善光输输出。 与传统传统光源相比，采用LED可
13、以提高效率达50。案例 II - 用于LED道路照明的先进进光学THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學25灯头设计头设计 效果 图图原型灯头实头实物 图图开发发模块块式的路灯照明系统统THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學26 220v/50hz 电电源 60颗颗 1 W LEDs 5条散热热支架 60w功耗 为为国家二级级公路设计设计 灯高: 8 米 道路宽宽度: 2.5车车道 (大约约9 米宽宽 ) 路灯间间隔: 28 米 路面平均照度 20 勒克斯 每颗颗LED输输出光通 : 60 流明采用非旋转对转
14、对称的自由曲面光学元件可以提高均匀性及光效率。所需能量仅仅是传统传统光源 的几分之一。组组合式的灯头头有下列优优点:能够够更好地散热热。更换换LED不需要整个拆卸灯头头。可以根据整灯功率的变变化来调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进行方便的调调整。安装的结结果使得光分配能满满足照明标标准。使光学设计设计更方便灵活。THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學27组组合式LED路灯灯头头的优优点模块块式LED路灯所采用的准直透镜镜光学准直镜镜的设设 计计光线线追迹 图图THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSIT
15、Y 香港工大學28模组组式LED路灯模拟拟光线线追迹 图图THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學29照度分布 根据北京道路管理局统计统计，截至 2006年底，北京5环环路道路总总长长4 千 公里。所需路灯为为30万盏盏。 产值产值可达大约约600亿亿人民币币。 使用LED路灯能够够每年节约节约1.9亿亿 千瓦电电，节约节约1.3亿亿元人民币币。用于LED路灯的先进进光学元件( 工程项项目 I )用于路灯的先进进光学准直镜镜 平均照度：20勒克斯。 均匀度：超过过40%。30LED 路灯 LED 数量: 72 片 1W。 应应用: 二级级公路，商业业区
16、及公园 。 路灯安装高度: 8米 。 路灯间间距: 25米。 Road width道路宽宽度: 9米（2.5 车车道）。 路灯光斑: 25米 x 9米。 光束角度： X向（道路方向）为为120度，Y向（垂直道路方向） 为为55度。8米远远照明分布远场远场角度分 布路灯用准直镜镜的设计设计及模拟拟 ( 工程项项目 I )光线线追迹 图图THE HONG KONGPOLYTECHNIC UNIVERSITY 香港工大學31装配好准直镜镜的LED路灯模拟拟图图 ( 工程项项目 I )道路照明范围围:8mx25m 均匀度：40%照度分布32光线线追迹结结 果光线线追迹结结 果测试测试数据通过过了国家城镇镇道路照明标标 准开发发的LED路灯实际测试实际测试 （工程项项目 ）XY方向光强分布道路照度分布光强分
