LED路灯光学设计及优化技术-论文.doc

LED路灯光学设计及优化技术的研究陈加琦 邹念育摘要1关键词11.技术背景12.全反射式二次光学透镜的设计23.全反射式二次光学透镜的计算机模拟64.结论95.参考文献：9摘要：二次配光设计是直接决定LED路灯的输出效率、配光分布、均匀度及眩光程度的重要环节。绿色环保的城市道路照明要求LED路灯产生正好覆盖马路的长方形的光斑，对马路之外的其他地方譬如居民楼和建筑物的光污染尽量的少。本文采用XY非轴对称的自由曲面二次光学的配光设计来实现此目标。使得在单个透镜模组上就可以完成高效率长方形的输出光斑和截光设计。整个路灯的结构非常简洁， LED透镜模组排列规范，简化了LED路灯的机械结构、散热结构、以及驱动控制。本文介绍了一种全反射型的二次光学透镜的设计，该透镜可以实现很高的输出光效率以及较均匀的长方形光斑。关键词：LED路灯、二次光学、全反射透镜1. LED路灯的现状虽然LED技术近几年飞速发展，但LED应用于道路照明领域仍然尚未成为主流，但在各国及地区政府的资助下已开始进行颇具规模的测试与应用。此外，由于节能环保趋势及相关法令相继出台，亦加速推动了LED路灯进入市场的进程。由于道路照明的潜在市场庞大，所以大量企业争相加入这个领域，但是真实藉由市场行为获利的企业却很少，总结其原因在于目前不论是产品、市场还是标准都处于过渡时期，因各国及地区标准差异性大且变动迅速，此亦促使企业、产业链及社会成本提升，进而压缩了企业的获利空间。归纳过往发展历程及未来LED于道路照明的趋势，将可区分为三个阶段，如下：准备阶段（2004-2008年）本阶段中一些重要技术已得到发展及突破，其中2007-2008年路灯小规模示范工程出现，客户开始学习和了解这一技术，同时相关标准及规范草案陆续出台。发展阶段（2008-2012年）此一阶段为过渡时期且发展迅速的阶段，以政府及系统整合业者为主的市场推动者开始推动LED路灯市场化，LED照明系统将安装在公园和公共区域，同时大量不同领域的发展商于此时加入并争夺市场。于此阶段，由于来自市场需求的牵动，致使针对室外照明不同应用标准化的需求亦显紧迫。完全成熟阶段（2012年以后）地区性龙头企业将会出现，而小型企业将被淘汰，最终不能提供有效节能和长寿命产品的企业亦会被自然淘汰7。LED照明的特点及问题与传统路灯系统相比，LED路灯具以下特点：1.灯源及发光机理的不同；2.系统的集成特性及延伸性不同；3.影响系统效能的关键因子不同；4.系统工程需求不同。2. 技术背景LED固体半导体照明技术被认为是21世纪的战略节能技术。中国、欧洲和北美的许多国家和城市都已经进行了LED道路照明技术的开发和大力推广，相比于金属卤素灯(MH)和高压钠灯(HPS)，LED路灯拥有更长的寿命(大于5倍)；除此之外，LED路灯还具有更好的可控性和光效，可以节能50%之多。LED路灯的另一个绿色能源的特征是光源本身不含有害物质汞。光学方面，LED芯片的小光源特性可以比较容易实现精确的配光和二次光学的优化设计，准确控制光线的方向，把光充分分配到所需要照明的马路上，防止光污染和眩光。二次光学设计是决定LED路灯的配光曲线、输出光效、均匀度、以及眩光指数的一项重要技术。现有市场上大部分的高功率白光LED的光度分布是朗伯分布，光斑是圆形的，峰值光强一半位置处的光束角的全宽度约为120o。LED路灯如果没有经过二次光学的配光设计，那么照在马路上的光斑会是一个“圆饼”，如图1(a)所示，大约一半左右的光斑会散落到马路之外而浪费掉，并且光斑的中心会比较亮，到周围会逐渐变暗。这种灯装在马路上之后，路灯之间会形成很明显的明暗相间的光斑分布，对司机造成视觉疲劳，引发事故。这种情况下的LED路灯就不能叫做“节能”和“绿色照明”了。国家城市道路照明设计标准要求LED路灯的光斑如图1(b)所示，光斑为长方形，正好可以覆盖马路，并且有很好的均匀性。LED的二次光学技术，不同于其他的学科，是一门涵盖非成像光学和三维曲面建模的交叉学科，二次光学的设计可以有效解决LED路灯的出光效率、均匀性、配光角度、眩光和安全性等问题，提供符合于国家标准所要求的配光，真正实现环保和绿色的照明。另外LED路灯有较好的显色指数(CRI)，根据需要可以调节不同的色温使其可以满足白天、晚上、晴天和雨天等不同的环境。全反射式二次光学透镜可以收集从LED芯片发出的全部180o的光，并重新分配到指定的区域，是个很好的解决方案。自由曲面的配光可以使LED路灯光强的远场角度分布呈蝙蝠翼分布，使光斑成长方形，并且光斑的中间和边缘比较均匀，利用边缘光线原理，透镜还可以实现截光设计，消除眩光。以下为一种全反射式二次光学透镜的设计方法。朗伯型的光度分布，约50%的光斑散落在马路的外面而损耗马路经过二次光学配光的长方形光斑分布(a)(b)图1(a)没有经过二次光学配光设计的LED路灯的光斑，(b)经过二次光学配光设计的LED路灯的光斑3. 全反射式二次光学透镜的设计图2 全反射式二次光学透镜的3D模型图2为一种全反射式二次光学透镜的三维模型。透镜由4部分组成，中间内凹的非球面柱面镜部分、侧面的全反射棱镜部分、两端的全反射棱镜部分、以及上表面“W”型的自由曲面组成。透镜将郎伯型LED的光配成沿X方向120o(沿着道路方向)以及Y方向60o(垂直于道路的方向)的光度分布。透镜的设计遵循“边缘光线原理”，即在X方向，输出光线的边缘光线的与光轴的夹角为60o，其他所有的输出光线都分布在这一角度之内，在Y方向，输出光线的边缘光线的角度为30o。透镜的设计原理如图3所示。其中Y方向的配光原理如左图，从LED发出的中间部分的光，由内凹的柱面镜进行汇聚，汇聚后所有输出光线反向延长线交于一虚焦点“F”，“F”与柱面镜边缘组成的这部分光线，再经过上表面之后，分布在角度30o之内。剩下的从LED发出的往侧面方向的光，则由侧面的全反射棱镜进行进行配光。经入射面入射到外侧全反射面的光线，从下到上，其反射角是渐变的，再经过上面的输出面折射之后，这部分的光也均匀分布在30o之内。沿X方向的配光原理如图3的右图，内凹的柱面镜覆盖了从LED发出的中间部分的76o之内的光线，上表面“W”形状的曲面将这部分光线均匀分配在发散角为60o之内，并形成一个蝙蝠翼的配光曲线分布。透镜两端各有一全反射棱镜，用来起截光的作用，收集剩下从LED发出的76o90o的光(这部分光如果不经过配光，直接射出后会造成眩光)，经过透镜两端外侧的全反射面反射和上表面“W”曲面的折射之后，重新分布在光束角30o之内。两部分的光叠加一起后形成一光束角为60o的光度分布，其光强的远场角度分布(配光曲线)为蝙蝠翼形。图3 Y和X剖面的设计原理在透镜的Y方向，内凹的非球面柱面镜的设计和外侧全反射面轮廓线的设计如图5的(a)和(b)所示。图5(a)为用MATLAB绘制的光路图，从LED射出的40o以内这部分光线，经过柱面镜折射之后，所有光线的反向延长线交于虚焦点“F”，经过点“F”和柱面镜的边缘所形成的边缘光线，其与光轴的夹角为19.6o，经过上表面折射后，形成30o的出射光线。图5(b)为用来计算外侧全反射轮廓线上各点坐标值的数学模型。其中为LED出射光线OP与光轴OO的夹角；Q(x，y)为外侧全反射轮廓线上一点Q的坐标值，其反射线QR与光轴的夹角为；为全反射棱镜入射面的拔模角，以利于中间柱面镜模芯的拔出，这里设置为2o。图4 内凹柱面镜Y方向剖面迭代公式变量图解(1)(2)(3)(a)POOQ(x,y)=/2-RSTDZ+- ABCN(b)图5(a)内凹柱面镜Y方向剖面在Zemax中的光路图，(b)全反射棱镜部分Y方向剖面的数学建模当角从90o变化到40o时，反射角(即反射光线QR和竖直线QT之间的夹角)从0o变化到19.6o。从点Q(x，y)的角度关系，可以得出以下的式子:(4)以及(5)从公式(1)及(2)，可得出以下的式子：(6)其中，为曲线BD在点Q(x，y)处的切线角，为切线QZ与竖线QT的夹角，PQ为P点位置的折射光线，/为PQ与水平线之间的夹角。曲线BD的导数和切线角的正切函数之间有如下的关系：(7)其中，dy和dx为曲线BD在Y和X方向的微元。根据在P点位置的斯涅尔定律34，有如下关系：(8)因此：(9)当角从90o变化到40o时，从0o渐变到19.6o，假设AB的初始值为1mm，联合公式(4)、(5)、(6)、(7)、(8)和(9)，Q(x,y)点坐标值可以通过数学模型的积分迭代法依次算出。图6 全反射棱镜部分Y方向剖面迭代公式变量图解(10)(11)(12)(13)(14)图7 X剖面，上表面配光设计的数学模型针对上表面在X方向上的配光，其数学模型如图7所示。根据柱面镜底部AB轮廓线上P点位置的斯涅尔定律，有(15)再根据Q(x,y)点位置的斯涅尔定律，有如下关系式：(16)式中，为竖直线QV与出射光线QR的夹角，为法线QN与竖直线QV之间的夹角，为LED的出射角，/为P点位置的折射角，n为透镜材料的折射率。为了配成蝙蝠翼状的光强的远场角度分布，当LED的出射角从0o变化到76o时，输出光线满足以下的关系：(17)以及(18)再根据以下曲线CF的微分和切线QS的正切角函数之间的关系：（19）联合公式(15)至(19)，上表面的马鞍形曲线CF的数值坐标可以用积分迭代法一一计算出来。图8 上表面配光设计迭代公式变量图解(20)(21)(22)(23)在X方向剩余从LED射出的角度为76o至90o的这部分光线，如果不经过配光直接射出，则会对远处的车辆产生眩光，这部分的光需要进行截光设计，所谓截光设计，并不是把这部分的光遮挡，而是把这部分的光重新分配到所需要的地方。这里采用透镜两端的全反射面EF将这部分光进行收集并重新分配，计算方法如上述图4的算法一样，重新分布后的光束角为30o。4. 全反射式二次光学透镜的计算机模拟透镜所有的透射面和反射面的轮廓线计算完成之后，数据点可以输入到光线追迹软件 (FRED)中进行3维实体模型的建立。建立二次光学透镜实体后，添加LED的实体模型到FRED中进行光线追迹，如图6所示。LED芯片的发光体赋予0.2240.2240.1mm的郎伯型空间几何体的发光特性，相对原点在z轴方向上偏移0.18mm。波长为单一的0.6328m。输出光通量为80lm/w，单颗光通量设置为1lm，透镜的短边方向为垂直于马路的方向(Y方向)，透镜的长边的方向为沿着马路的方向(X方向)。图6 全反射式二次光学透镜的光线追迹图7为单颗透镜在50mm远处的照度分布，LED光源设定初始光线为10000条，发出的流明数为1lm。经LED一次透镜折射后光线剩余2291条。出光效率22.91%。有效值（root mean square，简称RMS，就是一组统计数据的平方的平均值的平方根）47.12691。有效出光效率22.2%。将照度投射到xy平面上，其中心点在(0.884131,-0.191926)，有效值范围右上角为(33.50213,33.14442)，光斑左下角为(-99.32173,-99.72531)，光斑右上角为(99.30854,99.70733)。 光斑范围是198.63027199.43264mm，光斑长宽比为1:0.996，有效光斑范围是65.23419866.672692mm。有效长宽比为32.617099/33.336346=1:0.9784。全平面平均照度5.727e-6，有效平均照度7.175e-6。最大照度在坐标(0,0)处，为9.922e-5，最小照度在(95.23809,57.14285)处，为1.102e-6。照度均匀度为19.24%，有效照度均匀度为15.36%。经二次光学透镜后光线剩余2478条，出光效率24.78%。相对一次配光出光效率为108.2%。有效值（root mean square，简称RMS，就是一组统计数据的平方的平均值的平方根）40.72424。有效出光效率16.58%。相对一次配光有效出光效率为74.68%。将照度投射到xy平面上，其中心点在(0.064616,-0.404353)，有效值范围右上角为(15.87920,37.50086)，光斑左下角为(-52.40224,-99.62576)，光斑右上角为(50.51913,98.55112)。 光斑范围是198.17688102.92137mm，光斑长宽比为1:1.9255，有效光斑范围是75.81042831.629168mm。有效长宽比为37.905214/15.814584=1:2.3969。全平面平均照度6.195e-6，有效平均照度1.707e-5。最大照度在坐标(0,0)处，为6.394e-5，最小照度在(47.61904,85.71428)处，为1.102e-6。照度均匀度为17.79%，相对一次配光照度均匀度为92.46%。有效照度均匀度为6.46%，相对一次配光有效照度均匀度为42.06%。由于分析平面面积有限，而LED又是郎伯型配光，当移除二次光学透镜后，分析平面无法接受LED发出的全部光通量，根据我们的设定距离，仅有24.8%的光投射到了分析平面上。大约是在-63.463.4o之间的光线总数。这部光仅占理想光源总光通量的1/4不到，这绝大部分是因为LED的发光位置是设定在LED Die里面，光线在LED Die内部无规则散射，LED的发光强度会有因为LED的Chip和Contacts而有能量的损失。除去这部分损失剩余的只是反射和折射损失，他们只占总损失的极小一部分，可以忽略不计。如果把这部分光作为LED经一次配光后的总光通量，实际追迹过程中，透镜将原先角度过大无法被分析平面捕捉到的光线重新分配到分析平面上。因此我们透镜的出光效率为108.2%。但是由于透镜被设计为理想透光和反光，仿真过程中设定透镜材料Standard Glass本身的透过率为100%(全透过)，对光线无任何损失，可以预见实际我们透镜的出光效率仅取决于其本身的透过率。结构并不会影响出光效率。这也在另一方面验证了本透镜在抑制眩光方面做出的改进。单颗透镜光强的光强分布如图8所示，其光强分布和照度分布都近似为一个矩形光斑。图7 单颗透镜在50mm远处的光斑分布图8单颗透镜在50mm远处的照度分布5. 结论由于大部分出厂的高功率白光LED为郎伯型的光度分布，利用XY方向非轴对称的自由曲面二次光学的配光设计可以有效解决路灯的光型、出光效率、均匀性、配光角度、眩光和安全性等问题，提供符合国家标准所要求的配光，真正实现环保和绿色的照明。全反射二次光学透镜的采用可以实现很高的配光效率，得到超过90%的输出效率。全反射透镜上表面的“W”型自由曲面，可以将道路方向的配光曲线设计成蝙蝠翼形，实现很好的均匀度。透镜底部用来聚光的非球面柱