LED路灯透镜设计

1、LED道路照明系统的光学设计及发展趋势 1 1、LEDLED 道路照明系统的背景介绍 为了满足城市道路照明设计标准 ，传统的道路照明灯具往往采用耗电 200200 瓦以上含水银的灯泡。 相比之下，到 20092009 年, ,市场上发光二极管(LED)(LED)的光学效率已经超过了 100lm/W,100lm/W,这意味着采用 LEDLED 作光源的路灯，其耗电量将会大大的减少。由于 LEDLED 的超长寿命、不含汞和节能的特性 ，采 用 LEDLED 作光源的路灯来取代传统的 LPS(LPS(低压钠灯) )或 MH(MH(金属卤化物灯) )是很好的选择。目前， LEDLED 路灯在世界上各个

2、国家都进行了测试。 为了解决能源紧缺和温室气体的排放问题 ,LED,LED 路灯 在一些地方已经实用化，其中中国、北美以及欧洲的一些地区和都市的政府进行了积极的推广。 由于市场上出厂的 LEDLED 大部分都是呈郎伯型(Lambertian distribution) (Lambertian distribution) 分布，中心光强比较 强，而且是对称的圆形光斑分布 ，不能直接用于道路照明。为了满足城市道路照明设计标准 ，LEDLED 路灯需要进行二次光学设计，以产生一个长方形、均匀分布的光斑，其配光曲线需要呈蝙蝠翼的形 状。另外，光学设计的好坏直接决定了 LEDLED 路灯的效率，有的 L

3、EDLED 路灯加上了设计不好的二次透 镜之后，有些光在透镜里面多次反射后损耗掉了或者是不能配到有效的区域 ，有些二次透镜虽然 光斑形状和均匀度都可以，但出光效率却降低了将近一半。还有，光学设计的好坏也均定了 LEDLED 路灯有无眩光，有的设计得不好的透镜，虽然也可以产生一个长方形、 均匀分布的光斑，配光曲线也 可以呈蝙蝠翼，但由于没有采用截光设计，导致沿道路方向 7590 7590 范围的出射光还是很多，这样 就会给远处的车辆或行人造成眩光。 好的光学设计应充分利用 LEDLED 光源面积小这一优点，充分考虑光的利用率，将所有从 LEDLED 芯片发 出的光都分配到路面上，形成一个均匀度好

4、、无眩光、配光曲线呈蝙蝠翼的光斑。本文将基于这 些因素来探讨 LEDLED 道路照明系统的光学系统设计及发展趋势。 2 2、自由曲面二次光学的设计方法 由于道路照明要求路灯的光斑是长方形 ，在垂直于道路的方向，其出射的光束是会聚的，而沿着道 路的方向，其出射光束是发散的，并且有一个很大的视角。对于这种一个方向是会聚而另一个方向 是发散的配光，那么所对应的透镜，其在垂直于道路方向的剖面应该是个正透镜 ，而沿着道路的方 图1为真明丽非对称马鞍形透镜的形状及其设计原理，透镜在垂直于道路方向的光束角为 32 （左边剖面图），浴道路方向的光束角为土64。（右边剖面图）,在垂直于道路方向*其 出射的光束是

5、会聚的，其边缘光线与光轴的夹角为塑七而治着道路的方向，其出射光束是发 散的，其边缘光线与光轴的夹角为64% *F 向的剖面应该是个负透镜，所以透镜的整体可以用一个不规则的自由曲面来表述。 I - -中闰割现学中闰割现学Z化方化方 图图1真明丽马鞍形真明丽马鞍形LED路灯透镜的设计原理路灯透镜的设计原理 7 M V 透镜的数学模型如图2所示，图中6为光$由，光勃上的。点位于LED芯片发尤面的中心, 0点也同为凹面4的中心点.0Z垂直于LED的芯片发尤面，入射光线0P由LED的芯片中 心发此 经过凹面4之后，交曲面11于？点，P点的坐标为P（叫皿 其矢量表示式丸 ? = 弓占） （1 入射光线OP

6、的单位矢景为7,其单位矢量表示式为 1 （2 2 光线经P点折射后，其出射光线的单位矢量为3其单位矢量表示式为；， F点的法线矢量为市，其单位矢量表示式为 =（匹码人虬蜀 （可 根据斯涅尔折射定律。国1功的入射光线、折射光线和法线的矢量形式有如下的关系叫 1+/ = &- （5 上式n为透镜的材料的折射率。假设出射光线照射的路面上的目标位置点为T点，其矢量若 示式为|卜 由于位于P点的曲面的法线向量为曲面上X和Y方向轮廊线函数烟乘的导数.根据上式得 出的P点的坐标向量，可以得出位于P点的曲面的法线向量，如以工所示，* & & 咨时咨时) )h 8F(x) _ dx 莎莎

7、 利用上述的（1 1） （9 9）关系式，结合曲面控制网格的节点法线矢量的匹配法 ，可以计算出曲面上各个 点的法线矢量，从而得出各点的轮廓线，进而构成完整的自由曲面。 具体的曲面控制网格的节点法线则矢量的关系如以王式子： T-P (7) 闾 可以得出目标位置点T点和P点坐标的关系式，娥史式子= 矢量的匹配法如以下所述: Z 1 64 J 中国 打打 gh tin 9匚打匚打CQ/TL 心心 n 中国熙中国熙f会丫会丫3血站血站 曲面11的非对祢曲面控制网格的节点法线矢量的匹配柱如图 甥。图4所示。图3中的 LET发出的形召过曲面11后照射到路面上，形成如图4所示的在X方向与透镜的光轴成 64%

8、在Y方向与透镜的光轴成士32的照射范围，将照射范围沿X和Y方向划分成等价的 14x18个网备 同时将透镜的上表面与光轴6的夹角64。以内的曲面11在 X、丁方向也分成 14x18个网格,根据边缘光线原理区瓦LED发出的光线经过曲面11的边界，即与光轴6成 6角的网格线之后，照射到路面上64。的光斑的边界位置，路面上照射目标的各网格的节 U 与透镜曲面11的控制网格节点也形成一一对应，根据照射目标节点的位置.连同公式 至（皿曲面11上控制网格线的各个节点的注矢量可采用计算砌学迭代法精确计算丑从 而可以算出am 11的名网格统的轮廓，再利用3维造型软件豪上最皮，即可以生成透镜曲直 1L 4 同理把

9、歌埃的LED发出的沿X方向光率角为氏4。至90。范围的会产生眩光的这部分光手 用戴翎t的方法.向路面中间会聚，分布在沿X方向与光轴成士6帝日5口的范围之内的路画 上，以消除眩光#其中士6铲角的光线为边缘光线，其对应于路面上X方向的光斑的边缘 / 图图5单颗透洗的光姓追迹单颗透洗的光姓追迹 当曲面建模完成之后，将透镜的 3 3 维模型输入到光度分析软件例如 LightTools4 LightTools4 中进行光线追迹 和光度分析，图 5 5 为透镜的计算机模型及光线追迹 ，这里模拟采的 LEDLED 模型为光通量 为80流明的LumiLED的K2 LED,其光型分布为郎伯分布。透镜在.12.米

10、远处的光斑形状及 照度分布如图6所示，光斑的形状为两端稍带卵圆形的长方形，光斑在海米长 .1.2.米宽的 范围内，其照度均匀度约75%,单颗透镜的光强的远场角度分布（即配光曲线）如图7所示, 治若道路方向的配光曲线（图中的虚线）为圆滑的蝙蝠翼形状的分布，其峰值光强一半位置 处的尤衷段金勰约为130气垂直于道路方向的配光曲线（图中的实线）.其峰值光强一半位 置处的燧角金窟度为泞一 图图7单颗透疆光强的远场免度分布单颗透疆光强的远场免度分布 图 8 8 为整个 LEDLED 灯头的计算机建模及光线追迹。 因为长方形光斑及蝙蝠翼配光曲线的配光早已在 单颗透镜上实现，灯头的结构只要把这些二次透镜模组按

11、照相同的方向排列组装在 PCBPCB 上即可，这 心心中国中国 fighlrrF 中国撤别中国撤别?会会ff h M站 图图6单颗透镜在单颗透镜在12米远还的光斑形状及照度分布米远还的光斑形状及照度分布 cb 耳网耳网 样使得 LEDLED 路灯的散热比较容易实现。只要这些透镜模组的方向一致 ，PCBPCB 板的形状可以是个种 各样的，譬如椭圆形、长方形、星形、花形或动物形 ，不影响整体灯头的配光结果。 LEDLED 灯头在 1212 米远处的光斑形状和照度分布如图 9 9 所示，图 1010 为此灯头的光强的远场角度分布 由图中可见，整灯的光斑形状及配光曲线的形状同单颗透镜是一样的 射强度值

12、根据 LEDLED 数量多少乘一个比例。 图图9 LED灯头在灯头在1.2.米远处的光斑形状及照度米远处的光斑形状及照度分布分布# #矣 -二二二；.r 二二二,不同的是整灯的照度值和辐 (EEJ A 中国照明网 iiLthtingGhina. com. cfi 5J 8 LED路灯路灯灯义前灯义前建模及克强道应，建模及克强道应， Cunwi T l F*r .- lei jib-utLCb 3?s PS r中中国国& &宅网宅网 - O_d*CFEe*a ? nfe： .i，q ，. fM3 if rrr ay H 囹川囹川LED灯头的光强的远场角度分布灯头的光强的远场角度分

13、布 3 3、 LEDLED 道路照明系统的光学技术的发展趋势 由于所谓的二次光学是在加在 LEDLED 原有的一次光学透镜之上的用来配光的二次光学透镜 ，二次光 学和一次光学之间或多或少的总存在一些耦合损耗的不利因素。随着封装技术和精密注塑成型技 术的进步，用来配光的二次光学和 LEDLED 芯片可以直接封装在一起，以消除这部分的耦合损耗，即直接 在一次光学透镜上作配光。未来 LEDLED 路灯的配光的趋势有以下两种： 3.13.1 直接在一次光学透镜上作配光 对于LED路灯来说，丸课采用高功率郎伯分布的LED,再加二次光学透镜作配光，那中 间就会增加至少两个面（即会增加两个面的菲涅尔损耗）,

14、而且二次透镜的尺寸需要做得比 较大，加上透镜材料本身对光能的吸收，这样一来.一个经过配光设计的LED的透镜模组能 达到90%以上出光效率算是幸运的。但如果能够把二次光学和一次光学整合在一起，直接和 芯片封裳在一起（即直接在一次光学透镜上作配光），如图11所示，那中间就会省略很多环 节，可以最大程度的减少光能的损耗。以下所探讨的一次透镜，其配光的角度和上述讨论的 二次透镜一样，也是X方向为128 , Y方向为64% （其中X方向为沿道路方向，区方向为 垂直于道路的方向）,透镜的材料为FC,配光曲线及均匀度按照国家城市道路照明设计标准 进行设计，一次透镜的设计原理如图12所示”， 硅股 图图11在

15、一次光学透锥上作配光的在一次光学透锥上作配光的LED镖型，镖型，. . 透镜在垂直于道路方向的光束角同样为 32。（左边剖面图），沿道路方向的光束角为 64。 （右边剖面图）o在垂直于道路方向，其出射的光来是会聚的，其边缘光线与光轴的夹角为 32%所有出射光线的反向延长线交于虚焦点F；而沿着道路的方向，其出射光束是发散的, 其边缘光线与光触的夹角也为64、透镜的底部有一凹陷的球面用以填充硅胶，用以将透镜和 LED芯片直接封装在一起，硅腴尽量选折射率接近一次透镜的，以便芯片发出的光透过硅胶 迸入一次透镜后其传播方向保持不变。 由于直接在 LEDLED 的一次透镜上面完成了配光设计 ，单个 LED

16、LED 光学模组的尺寸大大的减小 ，并且大大 减少了二次光学透镜所带来的光效上的损耗 ，从而可以大大简化 LEDLED 路灯的装配机构。 pj p h ti n * 4,同K!删中会Yr方M H - 国照明网 、9 C!ES ,中国学会中国学会Tf力橱站力橱站 图图12 一次光学透镜的设计原理卜一次光学透镜的设计原理卜图 1313 单颗 LEDLED 模组的光线追迹 一次光学透镜的曲面计算采用同上述的二次光学透镜的曲面一样的计算方法 ，计算结合了边缘光学 原理以及曲面控制网格的节点法线矢量相匹配的方法 ，曲面的各网格线的轮廓经计算之后，再利用 3 3 维造型软件蒙上蒙皮，填充后生成透镜实体。一

17、次透镜的建模完成之后 ，再将 LEDLED 光学模组的实 体输入到 LightTools LightTools 软件中进行光线追迹如图 1313 所示。 一 、, lightingchinB 3FS c it $ W国照朋做金廿方回幻国照朋做金廿方回幻 图图14单颗单颗LED模组在模组在LZ术远处的光斑形状及照度分布术远处的光斑形状及照度分布- - 单颗LED模组在.12米远处的光斑形状及照度分布如图14所示，光斑的形状也为两端稍 带卵圆形的长方形，但同上述的二次光学透镜的光斑形状略微不同,这是因为芯片发光面是 一个扩展光源，光源尺寸相对于透镜尺寸的比例比上述二次光学透镜的要大，光斑中间部分

18、的照度会相对较高，光斑在.3&米长、12.米宽的范围内，其照度均匀度略为降低，大约70% 左右。村 单颗LED模组光强的远场角度分布如图15所示，沿着道路方向的配光曲线（图中的虚 线）也为很圆滑的蝙蝠翼形状的分布，其峰值光强一半位置处的好强宽鹰约为1如七垂 直于道路方向的配光曲线（图中的实线），其烽值光强一半位置处的为衷麒秘为65气但 由于光斑中心的光强相对较高，所以S己光曲线显得相对较短而弟P 为整灯的建模及光线追迹，由于没有尺寸较大的二次光学，灯头的结构变得比较简单而且尺寸可以 做得比较小（在散热允许的条件下灯头的组成只要把这些 LEDLED 模组按照相同的方向排列组装在 PCBP

19、CB 上即可。 LEDLED 灯头在 1212 米远处的光斑形状和照度分布如图 1717 所示，图 1818 为此灯头的光强的远场角度分布 由图中可见，整灯的光斑形状及配光曲线同单颗透镜是一样的 ，不同的是整灯的照度值和辐射强度 值根据LEDLED 数量多少乘一个比例。ns F*X 11c Idi -BEtglc B Si 宣 r 北 州* 1 g 图图15单熟单熟LED豹光强的远场角度分布豹光强的远场角度分布卜卜 图图16整灯的模拟整灯的模拟及光线及光线组追迹组追迹 3.2 3.2 一次光学配光透镜的模块化 除了采用分立的二次和一次光学透镜，透镜的配光可以采用模块化的设计，由于透镜采用了模块

20、化 的设计，不同数量的模块可以组成不同规格和不同输出功率的符合不同等级道路照明设计要求的路 灯。另外透镜模块除了配光的作用之外 ，还兼顾了防水、防尘，可以直接裸露在外，从而可以省去了 最外面的玻璃灯罩,避免了玻璃灯罩所附加的菲涅尔损耗。 另外模块化设计的一次配光透镜 ,由于每 明网 赢中国恩 J# IJhirngchina cam cn HW削学。削学。 由网站由网站 圈圈17耋灯在耋灯在J2米近处的光曲碧状度唳度分布米近处的光曲碧状度唳度分布* * Ch*rt 39M |m F*r field 少9上idl3ributxgi 225 个透镜单元的尺寸及透镜单元之间的间距比较小 ，每个透镜单元可以使用小功率的 LEDLED 芯片，以解 决散热所引起的光衰的问题。 图19为具备配光功能的LED 次光学透镜，透镜模块由10 x10个透镜单元组成，透镜 模块与LED芯片通过硅胶封装在一起，本身就是一个防水防尘的灯罩，可以大大减小路灯灯 头的尺寸。“ 图图20 一次光学透镜模块在一次光学透镜模块在12米远处的照度分布米远处的照度分布 透镜模块在12.米远处的照度分布的等高线图如图2C所示，光斑为长方形光斑，其配光 曲线如图21所示，沿着道路方向的配光曲线（图中的虚线