項(xiàng)目二照明中常用光學(xué)器件目錄壹【知識(shí)目標(biāo)】貳【技能目標(biāo)】叁【任務(wù)導(dǎo)入與項(xiàng)目分析】肆【項(xiàng)目小結(jié)】伍【思考與練習(xí)】【知識(shí)目標(biāo)】壹照明光學(xué)器件應(yīng)用與分析掌握照明中常用透鏡、反射器及其組合等光學(xué)器件特點(diǎn)照明光學(xué)器件特點(diǎn)會(huì)分析照明光學(xué)器件中幾何光學(xué)傳播規(guī)律照明光學(xué)分析能力了解照明中常用光學(xué)器件在不同場(chǎng)合中的應(yīng)用光學(xué)器件應(yīng)用了解【技能目標(biāo)】貳照明設(shè)計(jì)與器件應(yīng)用技巧1、能利用照明中常用光學(xué)器件進(jìn)行簡(jiǎn)單的照明設(shè)計(jì)；2、會(huì)選擇和應(yīng)用照明中常用的光學(xué)器件【任務(wù)導(dǎo)入與項(xiàng)目分析】叁照明技術(shù)基礎(chǔ)折射與反射應(yīng)用幾何光學(xué)規(guī)律主導(dǎo)，透鏡與反射元件關(guān)鍵。02反射元件作用調(diào)控光線(xiàn)路徑，優(yōu)化照明效果。04設(shè)計(jì)方法預(yù)告下一項(xiàng)目詳述設(shè)計(jì)技巧與實(shí)踐。06光場(chǎng)分布原理光線(xiàn)傳播方向控制，實(shí)現(xiàn)光通量合理分配。01透鏡元件解析廣泛用于照明設(shè)計(jì)，影響光通量分布。03實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景射燈、路燈、自行車(chē)燈、汽車(chē)車(chē)燈實(shí)例。05020504030601任務(wù)一照明中常用透鏡透鏡是照明燈具中不可或缺的光學(xué)元件，它一般有以下幾種材料種類(lèi)硅膠透鏡硅膠透鏡具有高吸附性、熱穩(wěn)定性，常用作LED封裝材料，體積小，直徑3-10毫米PMMA光學(xué)級(jí)PMMA，即有機(jī)玻璃，是透明度高、性?xún)r(jià)比優(yōu)的高分子材料，透光率高達(dá)92%。PMMA具有高紫外光穿透性、穩(wěn)定性，允許特定紅外線(xiàn)通過(guò)，可定制過(guò)濾可見(jiàn)光PC透鏡光學(xué)級(jí)PC透鏡廣泛應(yīng)用于多種光學(xué)設(shè)備，具有高生產(chǎn)效率和耐高溫特性，但透光率略低玻璃透鏡玻璃分為冕牌和火石兩類(lèi)，前者折射率低色散大，后者折射率高色散小。玻璃的光學(xué)均勻性、化學(xué)穩(wěn)定性、氣泡、條紋和內(nèi)應(yīng)力影響成像，需依儀器要求選材。光學(xué)玻璃優(yōu)點(diǎn)包括高透光率、耐高溫和紫外線(xiàn)；缺點(diǎn)是易碎、加工難度大、效率低和成本高凸透鏡和凹透鏡凸透鏡會(huì)聚光線(xiàn)，凹透鏡發(fā)散光線(xiàn)，通過(guò)調(diào)整距離和曲率改變光線(xiàn)角度任務(wù)一照明中常用透鏡任務(wù)一照明中常用透鏡：棱鏡棱鏡的光線(xiàn)偏折作用棱鏡通過(guò)改變光線(xiàn)方向?qū)崿F(xiàn)偏折，偏心球面透鏡還能擴(kuò)散或會(huì)聚光線(xiàn)色散現(xiàn)象與折射定律棱鏡折射不同波長(zhǎng)光，藍(lán)光偏折大，紅光小，折射率因波長(zhǎng)而異棱鏡在照明光學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用棱鏡用于照明設(shè)計(jì)，通過(guò)偏轉(zhuǎn)光線(xiàn)和調(diào)整光束角，形成非對(duì)稱(chēng)光形，應(yīng)用于多種燈具偏轉(zhuǎn)角計(jì)算公式：b=arctan（n?1）h（2.2）偏轉(zhuǎn)角計(jì)算公式任務(wù)一照明中常用透鏡：菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡由奧古斯汀·菲涅爾于1822年發(fā)明，用于燈塔透鏡，由聚烯烴或玻璃制成，表面有同心圓紋理，厚度約1mm，用于聚焦和平行光菲涅爾透鏡簡(jiǎn)介菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)思想是將透鏡分環(huán)帶，使光線(xiàn)近似會(huì)聚于同一像點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)聚焦和準(zhǔn)直作用，分為正負(fù)菲涅爾透鏡，正透鏡聚焦光線(xiàn)，負(fù)透鏡與光線(xiàn)同側(cè)焦點(diǎn)按光學(xué)設(shè)計(jì)分為正負(fù)菲涅爾透鏡，按結(jié)構(gòu)有圓形、陣列、柱狀、線(xiàn)性、衍射、反射、光束分離器和棱鏡，用于校正球差，減輕重量，降低成本菲涅爾透鏡分類(lèi)在照明系統(tǒng)中替代單透鏡或二次曲面透鏡，減小質(zhì)量、厚度，校正球差，降低制造成本，減少光能損失，適用于大口徑照明系統(tǒng)菲涅爾透鏡優(yōu)點(diǎn)菲涅爾透鏡應(yīng)用途徑主要包括菲涅爾投影電視，背投菲涅爾屏幕，高射投影儀，準(zhǔn)直器；1)投影顯示01主要包括太陽(yáng)能用菲涅爾透鏡，攝影用菲涅爾聚光燈，菲涅爾放大鏡；2)聚光聚能02航空航海領(lǐng)域使用特制菲涅爾透鏡，具有高透光率和小發(fā)散角，能在10海里能見(jiàn)度下達(dá)到30海里射程3)航空航海03主要包括激光檢測(cè)系統(tǒng)等；4)科技研究04主要包括無(wú)源移動(dòng)探測(cè)器；5)紅外探測(cè)05照明光學(xué)涉及汽車(chē)頭燈、交通標(biāo)志和光學(xué)著陸系統(tǒng)，菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)是其關(guān)鍵技術(shù)之一6)照明光學(xué)06任務(wù)一照明中常用透鏡：全反射透鏡全反射透鏡的應(yīng)用全反射透鏡利用全反射原理收集或分配光線(xiàn)，廣泛應(yīng)用于照明領(lǐng)域，如射燈、準(zhǔn)直透鏡等任務(wù)一照明中常用透鏡：全反射透鏡全內(nèi)反射透鏡的結(jié)構(gòu)與原理全反射透鏡原理利用二次曲面形成全反射面，會(huì)聚光線(xiàn)，通過(guò)透鏡組合實(shí)現(xiàn)光通量分配，達(dá)到預(yù)定照明效果全反射透鏡作用中間類(lèi)似凸透鏡會(huì)聚小角度光線(xiàn)，邊緣利用全反射原理轉(zhuǎn)換大角度光線(xiàn)，確保出射光均勻分布任務(wù)一照明中常用透鏡：全反射透鏡優(yōu)化全內(nèi)反射透鏡出光面，可改變光角度和均勻性，提升效率全內(nèi)反射透鏡的優(yōu)化處理任務(wù)一照明中常用透鏡：自由曲面透鏡自由曲面透鏡提高照明設(shè)計(jì)自由度，實(shí)現(xiàn)LED均勻照明及復(fù)雜光束控制自由曲面透鏡在照明設(shè)計(jì)中的應(yīng)用后續(xù)將專(zhuān)門(mén)設(shè)立一個(gè)項(xiàng)目任務(wù)，通過(guò)案例詳細(xì)介紹自由曲面透鏡的設(shè)計(jì)方法。自由曲面透鏡設(shè)計(jì)的項(xiàng)目任務(wù)自由曲面透鏡設(shè)計(jì)復(fù)雜，需用數(shù)值方法和優(yōu)化算法處理點(diǎn)及擴(kuò)展光源自由曲面透鏡設(shè)計(jì)的復(fù)雜性010203任務(wù)二照明中常用反射器反射器的作用照明系統(tǒng)中的反射器俗稱(chēng)燈罩或反射罩，其作用一般有兩點(diǎn)：1）獲得所需照明效果，近處光照強(qiáng)度大而均勻，但遠(yuǎn)處效果不好；2）在相同配光的前提下，增加外形美觀反射器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論將反射器上任意點(diǎn)(角度θ)接收的光源光線(xiàn)反射到與軸線(xiàn)成希望夾角α的方向上，換言之，要注定反射器上各區(qū)域?qū)⒐饩€(xiàn)投射到什么方位，這是設(shè)計(jì)的第一步反射器設(shè)計(jì)計(jì)算細(xì)節(jié)對(duì)從光源射向四周空間的光線(xiàn)，要選擇合適的角度間隔進(jìn)行劃分，如圖13所示。計(jì)算在光源光分布和出射光束光分布中各個(gè)角度間隔內(nèi)的立體角反射器曲面形狀計(jì)算根據(jù)θ～α的關(guān)系，求出反射器曲面形狀，這是計(jì)算反射器的第二步。其中包括：1.用公式計(jì)算光源光線(xiàn)間隔角度中反射面與軸線(xiàn)夾角β任務(wù)二照明中常用反射器：二次曲線(xiàn)反射器二次曲線(xiàn)的光學(xué)反射特性二次曲線(xiàn)的分類(lèi)二次曲線(xiàn)包括圓、橢圓、拋物線(xiàn)和雙曲線(xiàn)。圓錐曲線(xiàn)反射特性從焦點(diǎn)發(fā)出的光線(xiàn)，經(jīng)曲線(xiàn)反射，會(huì)聚于另一焦點(diǎn)，拋物線(xiàn)焦點(diǎn)產(chǎn)生平行光，雙曲線(xiàn)焦點(diǎn)光線(xiàn)反向交于另一焦點(diǎn)照明應(yīng)用利用圓錐曲線(xiàn)反射特性，設(shè)計(jì)反射器，如圓面、橢圓面、拋物面和雙曲面，實(shí)現(xiàn)光線(xiàn)的有效匯聚或發(fā)散其他反射器設(shè)計(jì)其他反射器設(shè)計(jì)需滿(mǎn)足特定照明需求，如均勻照度、可變發(fā)光角度，采用鱗甲或自由曲面反射器任務(wù)三反射器透鏡組合形式透鏡與反射器的比較透鏡在小角度照明中均勻性好，反射器適用于遠(yuǎn)距離聚光透鏡與反射器的組合應(yīng)用透鏡與反射器組合可提升光效，調(diào)整照明角度，如全內(nèi)反射透鏡與鱗甲反射器結(jié)合【項(xiàng)目小結(jié)】肆光學(xué)器件優(yōu)缺點(diǎn)分析透鏡元件和反射元件各有優(yōu)缺點(diǎn)，反射器設(shè)計(jì)成熟但對(duì)特殊LED光源效果不佳照明系統(tǒng)元件優(yōu)缺點(diǎn)菲涅爾透鏡設(shè)計(jì)方便，易于批量加工，不受透鏡厚度影響菲涅爾透鏡的優(yōu)勢(shì)傳統(tǒng)透鏡工藝成熟但設(shè)計(jì)復(fù)雜，自由曲面透鏡可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜配光要求但厚度大影響散熱透鏡設(shè)計(jì)與加工挑戰(zhàn)