灯具设计课程

复旦大学 光源与照明工程系 上海汽车照明工程研究中心 徐蔚 z灯具的配光与照明功能 z经反射器后光能量的分布 z旋转对称反射器的设计 z罗纹透镜的设计 z灯具光学设计的技巧 z光学模拟软件的应用 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 2 室内照明灯具 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 3 室内照明灯具 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 4 获得均匀照度分布的室内灯具的配光曲线 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 5 ⎪⎪ ⎪⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎨ ⎧ ≤≤ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −− ≤≤ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −+ = SXSs X SXs X E n n 2 1 2 1 2 0 2 11 ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪⎪ ⎪ ⎨ ⎧ ≤≤ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −− ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ⋅ ≤≤ ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −+ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ⋅ = − − 1 2 11 2 1 cos 1 2 10 2 11 cos 1 13 13 S X s X H S S Xtg S X s X H S S Xtg I n n 室内灯具的直接眩光与利用系数 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 6 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 投光灯具 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 7 投光灯具 投光灯具 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 9 投光灯具 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 10 投光灯具 道路照明灯具 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 12 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 道路照明灯具 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 13 道路照明灯具 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 14 道路照明灯具 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 15 LED照明灯具 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 16 LED自身特征 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 17 LED发光特性 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 18 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ LED汽车照明灯具 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 19 LED汽车照明灯具 LED汽车照明灯具 z灯具的配光与照明功能 z旋转对称反射器的设计 z经反射器后光能量的分布 z罗纹透镜的设计 z灯具光学设计的技巧 z光学模拟软件的应用 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 22 反射器空间划分和符号 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 23 θ区域－反射区域 θmax－包围光源的最大包角 θ0－安装灯泡用的盲孔 α区域－出射区域 Δθ，Δα－－θ和α空间划分的圆锥环带 反射器的作用 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 24 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 反射器上点的计算 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 25 反射器设计需要的数据 （1）灯具的光强分布 －－用出射光线与轴线夹角α及该方向上光强表示。 采用函数式或曲线图。 （2）光源出射光分布 －－用出射光线与轴线夹角θ及该方向上光强表示。 常采用曲线，在某些近似的计算中也可用余弦分布代替。 （3）反射器口径尺寸和容积 －－由要求的灯具光强分布的准确度、光源功率和结 构限制等因素综合决定。 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 26 反射器设计过程 （1）对光源配光曲线用合适的角度间隔进行划分 （2）计算在光源光分布和灯具光分布中各角度间隔内的立 体角 （3）光通增量＝光强×立体角增量。 计算各立体角间隔内 的光通。（光强为中值角度上的值） （4）找出光源提供的光通和光束中需要的光通的差值，得 到折换系数，并同一两者的差异 （5）找出某个θ角内能提供的光通量正好和灯具在某α角 内需要的光通量相一致的对应关系 （6）用公式计算光源光线间隔角度中，反射面与轴线的夹 角β Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 27 反射器设计过程 （7）列表写出光源光线间隔角度θ角和β角的正切值 （8）以点光源为原点，光轴（旋转对称轴）为x轴，写出 各光源光线的间隔角度上的方程：y＝xtgθ （9）设反射器起始于第一点的坐标是（x0，y0），斜率为 tgβ0，则反射器上第一段的折线方程为： y－y0＝（x－x0）tgβ0 （10）计算该线段与下一个光线间隔角度的交点（xi， yi），解下列方程组：yi－yi－1＝（xi－xi－1）tgβi－1 yi＝ xi tgθ Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 28 反射器设计实例 已知：需要设计一个右图 所示配光的反射器 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 29 步骤1:选择配光曲线中光线间隔角度为10°进行划分 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 30 环带α （度） 中间角度光强 （cd） 环带常数 环带光通ΦΔα （lm） 0－10 720 0.095 68 10－20 755 0.283 213 20－30 855 0.463 396 30－40 930 0.628 584 40－50 745 0.774 576 50－60 450 0.897 403 60－70 150 0.993 149 70－80 20 1.058 21 需要总光通：需要总光通：2410lm2410lm 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 步骤2:选择光源 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 31 设灯具效率为70%,包角为60 ° 光源光通＝2410/70%＝3440lm 采用200W的卤钨灯，具有旋转对 称的配光，光通量为3700lm 设灯泡对称轴与反射器轴线重合， 划分角度为10 °，则 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 32 环带θ（度） 光强（cd） 环带常数 环带光通ΦΔθ （lm） 170－180 292 0.095 28 160－170 291 0.283 82 150－160 289 0.463 134 140－150 294 0.628 185 130－140 305 0.774 236 120－130 313 0.897 281 110－120 313 0.993 311 100－110 306 1.058 324 90－100 290 1.091 316 80－90 275 1.091 300 70－80 281 1.058 297 60－70 296 0.993 294 50－60 304 0.897 273 40－50 306 0.774 237 30－40 297 0.628 186 20－30 292 0.463 135 10－20 251 0.282 71 0－10 101 0.095 10 直射 光通 946lm 总光通 3700lm 步骤3:光源配光中的直射光与反射光 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 33 设反射器包角为60°，则与α＝0°－60°的直接出 射光对应的是θ ＝120°－180°区域内的光源出射 光，共946lm 余下3700－946＝2754lm从反射器反射。设反射器 表面反射率为80％，部件挡光（其他损失）15％， 则实际从灯具中反射出来的光通： 2754×80％×85％＝1870lm 946946＋＋18701870＝＝2816lm 2816lm 步骤4:求折换系数 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 34 2816/2410＝1.1681.168 环带α （度） 光束光通修 正值 光源直接光 通 二者之差 0－10 79(68) 28 51 10－20 249(213) 82 167 20－30 463(396) 134 329 30－40 683(584) 185 498 40－50 673(576) 236 437 50－60 470(403) 281 189 60－70 174(149) *(311) 174 70－80 25(21) *(324) 25 总和 2816(2410) 946 1870 步骤5:确定θ与α的关系—列表法 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 35 步骤5:确定θ与α的关系 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 36 角度α ΣΦΔα 角度θ ΣΦΔθ 0 0 0 0 10 51 10 7 20 218 20 55 30 547 30 147 40 1045 40 273 50 1482 50 433 60 1671 60 618 70 1845 70 818 80 1870 80 1020 90 1224 100 1430 110 1659 120 1870 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 步骤5:确定θ与α的关系 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 37 从光源发出的光 线环带Δθ （度） 从反射器上反射 出去的环带Δα （度） 0－20 0－10 20－36 10－20 36－57 20－30 57－81 30－40 81－102 40－50 102－110 50－60 110－116 60－68 116－120 68－80 步骤6:反射器曲线计算—斜率法 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 38 o90 2 −+= αθβ 步骤7:列表从边缘点开始逐点计算 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 39 ⎪⎩ ⎪⎨ ⎧ −= − ⋅+=∴ ⎩⎨ ⎧ −⋅= −⋅−=− ++ ++ iii ii iii i iii iiiii xy xyx xy xxyy θ θβ β θ β tan tantan tan )180tan( )tan()( 11 0 11Q 步骤7:列表从边缘点开始逐点计算 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 40 ( ) 2 1 2 1 11 11 2 1 2 1 1 2 11 1 2 11 2 1 2 1 90 2 22 + + ++ ++ ++ + ++ + ++ ⋅== =− =⋅+ °− + = −=−−=− iiii i ii ii ii ii iii ii iii tgxy f fx ftgtg ftgxy xy θ θβ β αθ β αααααθθθθθ 上一个点的坐标 1+− ii θθ 1+− ii αα 2 1+i θ 2 1+i α °−+= 90 2 αθβ 1+iy 1+ix βtgxy ii ⋅+ ++ 11 itgtg θβ − ii tgxy θ⋅−=ix 0.00 -41.31 -7.60 313.75 -39.42 14.35 -82.551010-020-00 14.35 -39.42 -2.90 114.41 -35.04 25.46 -68.5152820-1036-201 25.46 -35.04 -2.12 74.13 -25.31 38.97 -54.252546.530-2057-362 38.97 -25.31 -2.32 58.75 -8.28 52.28 -38356940-3081-573 52.28 -8.28 -6.71 55.58 12.91 60.73 -21.754591.550-40102-814 60.73 12.91 4.54 58.57 22.70 62.37 -9.55510660-50110-1025 62.37 22.70 2.72 61.78 30.52 62.58 -1.56411368-60116-1106 62.58 30.52 2.16 65.78 36.00 62.00 67411880-68120-1167 62368 i 反射器 0 10 20 30 40 50 60 70 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 例如 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 43 50-6040-5030-4020-3010-200-10Δα 114-12098-11464-9844-6432-4420-32Δθ 已知：xN＝36，yN＝62 12.6120.3227.8039.4156.3761.39Yi -34.66-32.52-28.79-19.227.9227.33xi -3.97-2.63-2.179-2.7656.852.176tgβi-tgθi 137.5885.5462.7351.4254.3259.48yi+1+ xi+1tgβi 117.2657.7423.31-4.94-7.07-2.52xi+1tgβi 20.3227.8039.4156.3761.3962Yi+1 -74.5-60.5-50.5-32-14.5-4βi 51525354555αi+1/2 26385481106117θi+1/2 0-1010-2020-3030-4040-5050-60αi-αi+1 20-3232-4444-6464-9888-114114-120θi-θi+1 反射器 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 45 反射器曲线计算—曲率法 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 46 ∫ ∫ −=∴ −=+ ⋅== −∴ ⋅ θαθρ αθ θαθρ θρ ραθ θρ αθ d f fc＝＝ dc d d NM NM d 2 tanln ln 0 2 tanln 2 tan NM NMM 2 FM 1 2 1 21 1 时，＝＝而 积分可得： ＝ 中且在直角三角形 －入射角为入射光线Q ∑ Δ−= θαθρ 2tanln f ρ 1.9161.7991.5261.1871.0851.04ρ/f 0.6500.5870.4230.1720.08140.0388ln(ρ/f) 0.01290.1640.2510.09030.04260.0388tg((θ-α)/2) .Δθ 0.1050.2790.5930.3490.2090.209Δθ 0.6010.5890.4240.2590.2040.185tg((θ-α)/2) 626146292321θ-α 55453525155αi＋1/2(度) 2.0421.8501.4140.9420.6630.454θi＋1/2(弧度) 11710681543826θi＋1/2(度) 114- 12098-11464-9844-6432-4420-32θi －θi＋1 反射器 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 48 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 近场旋转对称反射器的设计 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 49 z灯具的配光与照明功能 z旋转对称反射器的设计 z经反射器后光能量的分布 z罗纹透镜的设计 z灯具光学设计的技巧 z光学模拟软件的应用 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 50 反射器内光线束的状态 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 51 ϕ ϕϕ sin costan 1 rp rd −=p rdpr ≈<< ϕ, 反射器内光线束的状态 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 52 完全亮区 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 53 球形光源在抛物线反射器内的辐射分布 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 54 抛物线方程 ϕρ cos1 2 += f )cos1( 2 ϕραϕ +== f rr 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 球形光源在抛物线反射器内的辐射分布 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 55 ` 完全亮区距离的计算 f Rf x r RxRL 4 tan 2 min 0 += +⋅≈+= ρ ρ α ϕ ϕ ϕ ϕ ϕϕρ sin 2 tan4 2 tan2 cos1 sin2sin 22 0 r f L ffR =∴ =+==Q 球形光源在抛物线反射器内的辐射分布 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 56 1. 出射光斑的形成与结构 球形光源在抛物线反射器内的辐射分布 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 57 球形光源在抛物线反射器内的辐射分布 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 58 设观察距离为x fx1 暗区逐渐消失，中心亮度变亮，L0时最亮 球形光源在抛物线反射器内的辐射分布 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 59 球形光源在抛物线反射器内的辐射分布 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 60 2. 范围内的光强分布 2 cossin 42 2 2 ϕπαπα f r==Ω 环带内光通量 ϕϕπ dBr SdBdF sin2 22= ⋅Ω⋅= 反射后光通量 ϕϕρπ dBrdFr sin2 22== maxϕαα < 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 球形光源在抛物线反射器内的辐射分布 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 61 出射光强 2 max22 0 2 2 2 4 2 cos 2 tan4 max BR BtgfdII d LfdFdI r πρ ϕρπ ϕϕ ϕπρ ϕ α = == =Ω= ∫ 球形光源在抛物线反射器中最大光强正比于光源球形光源在抛物线反射器中最大光强正比于光源 亮度和反射器出口面积亮度和反射器出口面积 球形光源在抛物线反射器内的辐射分布 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 62 3. 范围内的光强分布0max αααϕ << )1(4 1 2 cos 11 2 sec 2 tan,, 2 cos 2 tan4 02 2 22 0 2 22 0 −=∴ −=−=== == ∫ α απρ ϕ ϕϕαϕα ϕπρ α ϕ α LfI f r f r LfdII Q )11(4 2 −= δπρα LfI0α αδ = 球形光源在抛物线反射器内的辐射分布 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 63 球形光源在抛物线反射器内的辐射分布 环带法 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 64 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= −=− + ++ 22 4 2122 2 1 2 1 ii ii tgtgf RRSS ii ϕϕπ ππϕϕ ( ) ii i i i i ii SSBtgtgBf d tgBf dII ii ϕϕ ϕ ϕ ϕ ϕϕϕ ρϕϕπρ ϕϕ ϕπρ −=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ −= == + +++ + − ∫∫ 1 11 1 22 4 2 cos 2 4 2122 2 2 ∑ = = max 0 ϕ ϕ ϕII总光强 球形光源在抛物线反射器内的辐射分布 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 65 z灯具的配光与照明功能 z旋转对称反射器的设计 z经反射器后光能量的分布 z罗纹透镜的设计 z灯具光学设计的技巧 z光学模拟软件的应用 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 66 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 罗纹透镜的特点 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 67 共轴平凸罗纹透镜的光路 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 68 1sin sin 22 −−= Un Utgϕ ϕsin Hr = ϕtg Hx = 设计步骤 步骤一 参数确定 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 69 a. 由通光口径Φ决定最大半包角Umax ftgU 2 max Φ = b.计算光源调节范围 llf 1 ' 11 +−=− c.确定适当的环数，及每 环入射光线在第一折射面 上的高度h1,h2…. fhtgU /= 设计步骤 步骤二 对每环的入射光线进行平面追迹 步骤三 确定每环齿根的高度 步骤四 计算每环的球心位置及曲率半径 步骤五 计算每环透镜的中心厚度 步骤六 光路计算进行校验 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 70 U n nU sin ' 'sin = U U n nLL cos 'cos''= ')'( tgUdLH += 1sin sin 22 −−= Un Utgϕ ϕsin Hr = ϕtg Hx = dxrd nnn +−= 几点提醒 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 71 z灯具的配光与照明功能 z旋转对称反射器的设计 z经反射器后光能量的分布 z罗纹透镜的设计 z灯具光学设计的技巧 z光学模拟软件的应用 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 72 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 光源的挡光 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 73 圆渐开线的利用 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 74 圆渐开线的利用 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 75 基本表达式 βββ βββ cossin sincos aay aax −= += θ~ p/a的关系 1)(1)( 22 −−−= a parctg a pθ 33.1081.0 +⋅= θ a p 圆渐开线的利用 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 76 p0 θΔ A O M p 2ω B a p a p ωωθ 3sin)3sin( 0 =+Δ 1)( 1 2− = a p arctgω 圆渐开线的利用 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 77 提高反射器对光源的利用率 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 延伸反射器 修改抛物线 修改抛物线 移轴法 z灯具的配光与照明功能 z旋转对称反射器的设计 z经反射器后光能量的分布 z罗纹透镜的设计 z灯具光学设计的技巧 z光学模拟软件的应用 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 83 Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 84 光源模拟的原理 `` 模拟方式模拟方式 ◦◦ 蒙特卡罗光线追踪蒙特卡罗光线追踪 ◦◦ 灯丝映像法灯丝映像法 `` 涉及参量涉及参量 ◦◦ 基本外形尺寸基本外形尺寸 ◦◦ 灯丝灯丝//灯泡位置灯泡位置 ◦◦ 反射镜分区曲面反射镜分区曲面 ◦◦ 遮光板遮光板 ◦◦ 透镜透镜 ◦◦ 光源光源//灯具配光灯具配光 ◦◦ 透镜亮度分布透镜亮度分布 ◦◦ 功耗功耗 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/ 模拟软件的基本结构 光光 源源 光学元件光学元件 探测器探测器 系统系统 几何结构几何结构 ++ 材质属性材质属性 光源模拟 ` 在三维系统中建立光源模型 ◦ 钨丝光源 x 几何体——近似为同样尺寸的柱状，或螺旋状 x 发光特性——朗伯发光体 光源模拟 ` 在三维系统中建立光源模型 ◦ LED模型 透镜透镜 反射杯反射杯 芯片芯片 引脚 光源模拟 ` 在三维系统中建立光源模型 ◦ HID模型 光源模拟 ` 由测试数据建立的光源数据库 ``成本高，且不同公司产成本高，且不同公司产 品需不同模型品需不同模型 ``无光源结构数据无光源结构数据 ``与实际情况符合好，提与实际情况符合好，提 高模拟结果可信度高模拟结果可信度测试模型测试模型 ``与实际情况差异可能较与实际情况差异可能较 大，特别是电弧等不稳大，特别是电弧等不稳 定发光体定发光体 ``软件自带，成本低软件自带，成本低 ``适用范围广适用范围广自建模型自建模型 缺点缺点优点优点类别类别 敬请指教！ weixu@fudan.edu.cn Fudan University | Ya-Ming Lighting | Page Xu Wei 90 更多资料请关注：http://www.henanchengshizhaoming.com/news/hygf/