LED路灯透镜光学设计

1、LED路灯透镜光学设计二次光学就是直接决定 LED路灯得输出效率、配光分布、均匀度及眩光程度得重要环节。绿色环保得城市道路照明要求 LED路灯产生正好覆盖马路得长方形得光斑，对马路之外得其她地方譬如居民楼与建筑物得光污染尽量得少。XY非轴对称得自由曲面二次光学得配光设计，就是实现此目标得最好得方法。 使得在单个透镜模组上就可以完成高效率长方形得输出光斑、蝙蝠翼形得远场角度分布、以及实现截光设计。整个灯头得结构变得非常得简洁,只要将这些完成配光设计得 LED透镜模组，按照同一个方向排列在一块平面得PCB板上即可，简化了 LED路灯得机械结构、散热管理、以及电源控制得排布。本文介绍了一种全反射型得

2、二次光学透镜得设计，该透镜可以实现很高得输出光效率、蝙蝠翼形得配光曲线分布、以及较均匀得长方形光斑。1、技术背景LED固态半导体照明技术被认为就是21世纪得战略节能技术。中国、欧洲与北美得许多国家与城市都已经进行了LED道路照明技术得开发与大力推广，相比于金属卤素灯（MH）与高压钠灯（HPS）, LED路灯拥有更长得寿命（大于 5倍）；除此之外,LED路灯还具有更好得可控性与光效，可以节能 50%之多。LED路灯得另一个绿色能源得特征就是光源本身不含有害物质汞。光学方面，LED芯片得小光源特性可以比较容易实现精确得配光与二次光学得优化设计，准确控制光线得方向， 把光充分得分配到所需要照明得马路

3、上，防止光污染与眩光。二次光学设计就是决定 LED路灯得配光曲线、输出光效、均匀度、以及眩光指数得一项重要技术。现有市场上大部分得高功率白光LED得光度分布就是郎伯分布，光斑就是圆形得，峰值光强一半位置处得光束角得全宽度约为120°。LED路灯如果没有经过二次光学得配光设计,那么照在马路上得光斑会就是一个圆饼”如图1（a）所示，大约1半左右得光斑会散落到马路之外而浪费掉，并且光斑得中间会比较亮,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得明暗相间得光斑分布,对司机造成视觉疲劳，引发事故。这种情况下得LED路灯就不能叫做 节能”与 绿色照明”了。国家城市道路照明设计标

4、准要求LED路灯得光斑如图1（ b）所示，光斑为长方形，正好可以覆盖马路，并且有很好得均匀性。LED得二次光学技术，不同于其她得学科， 就是LED路灯得门涵盖非成像光学与 3维曲面建模得交叉学科，二次光学得设计可以有效解决出光效率、均匀性、配光角度、眩光与安全性等问题，提供符合于国家标准所要求得配光,真正实现环保与绿色得照明。另外LED路灯有较好得显色指数（CRI），根据需要可以调节不同得色温使其可以满足白天、晚上、晴天与雨天等不同得环境。.s图1（a）没有经过二次光学设计得LED路灯得光斑，（b）经过二次光学配光设计得LED路灯得光斑Fig、1 (a) Light p atter n wit

5、hout op tical desig n, (b) Light p atter n with fine op tical desig n全反射式二次 光学透镜 可以收集从LED芯片发出得全部180°得光，并重新分配到指定得区域，就是个很好得解决方案。自由曲面得配光可以使LED路灯光强得远场角度分布呈蝙蝠利用边缘光线原理，透镜还可翼分布，使光斑成长方形，并且光斑得中间与边缘比较均匀,2、全反射以实现截光设计，消除眩光。以下为一种全反射式二次光学透镜得设计方法。式二次光学透镜得设计图2全反射式二次光学透镜得3D模型Fig、2 Lens 3D modeli ng图2为一种全反射式二次光学

6、透镜得3维模型。透镜由4部分组成，中间内凹得非球面柱面镜部分、侧面得全反射棱镜部分、 两端得全反射棱镜部分、以及上表面“W型得自由曲面组成。透镜将郎伯型LED得光配成沿X方向120° （沿着道路方向）以及丫方向60° （垂直于道路得方向）得光度分布。透镜得设计遵循边缘光线原理”1，即在X方向，输出光线得边缘光线得与光轴得夹角为±60 °其她所有得输出光线都分布在这一角度之内，在丫方向，输出光线得边缘光线得角度为±30°。透镜得设计原理如图3所示。其中丫方向得配光原理如左图，从LED发出得中间部分得光，由内凹得柱面镜进行会聚，会聚后所有

7、输出光线得反向延长线交于一虚焦点“F；'“吗柱面镜边缘组成得这部分光线，再经过上表面之后，分布在角度±30°之内。剩下从LED发出得往侧面部分得光，则由侧面得全反射棱镜进行配光。经入射面入射到外侧全反射面得光线，从下到上,其反射角就是渐变得，再经过上面得输出面折射之后，这部分光也分布均匀在±30°之内。沿X方向得配光原理如图3得右图，内凹得柱面镜覆盖了从LED发出得中间部分得 ±76°之内得光线，上表面“W形状得曲面将这部分得光线均匀分配在发散角为±60°之内，并形成一个蝙蝠翼得配光曲线分布。透镜两端各有一

8、全反射棱镜，用来起截光得作用,收集剩下从LED发出得±76 ° 90得光（这部分光如果不经过配光，直接射出后会造成眩光），经过镜两端外侧得全反射面反射与上表面“W曲面得折射之后，重新分布在光束角±30°之内。两部分得光叠加一起后形成一光束角为±60°得光度分布，其光强得远场角度分布（配光曲线）为蝙蝠翼形。LT _图3 Y与X剖面得设计原理Fig、3 Desig n principles on Y and X sect ions在透镜得丫方向，内凹得非球面柱面镜得设计与外侧全反射面轮廓线得设计如图4得(a)与(b)所示。图4(a)为Ze

9、max中得光路图,从LED射出得±40°以内这部分光线，经过柱面镜折射之后，所有光线得反向延长线交于虚±19、6°，经过焦点“F”'经过点“F与柱面镜得边缘所形成得边缘光线，其与光轴得夹角为上表面折射后，形成 ±30°得出射光线。图4(b)为用来计算外侧全反射轮廓线上各点坐标值得数学模型。其中q为LED出射光线0P与光轴08得夹角；Q(x, y)为外侧全反射轮廓线上一点Q得坐标值，其反射线 QR与光轴得夹角为d; a为全反射棱镜入射面得拔摸角，以利于中间柱面镜模芯得拔出，这里设置为2°iLb-rxuT9馳昨呛讹“图

10、4 (a)内凹柱面镜丫方向剖面在Zemax中得光路图，(b)全反射棱镜部分 丫方向剖面得数学建模Fig、4 (a) Op tical p ath of the recessed asp heric cyli nder in Zemax software, (b)Mathematic modeli ng of the outside TIR surface当q角从90 °变化到40。时，反射角d (即反射光线 QR与竖直线QT之间得夹角)从0。变化到19、6 °。从点Q(x, y)得角度关系，可以得出以下得式子:(1)以及:从公式(1)及(2)，可得出以下得式子: 其中，b为

11、曲线BD在点Q(x,y)处得切线角，g为切线QZ与竖线QT得夹角，PQ为P点位置得折射光线，q C为PQ与水平线之间得夹角。 曲线BD得导数与切线角b得正切函数之间有如下得关系:其中，dy与dx为曲线BD在丫与X方向得微元。根据在P点位置得斯涅尔定律34,有如下关系:因此：(5)当q角从90°变化到40°时，d从0°渐变到19、6° ,假设AB得初始值为1mm，联合公式(1)、(3)、(4)、与(5) , Q(x, y)点得坐标值可以通过数学模型得积分Fig、5 Mathematic modeli ng along the Ion gitude cros

12、s sect ion针对上表面在X方向上得配光，其数学模型如图5所示。根据柱面镜底部 AB轮廓线上P点位置得斯涅尔定律,再根据Q (x, y)点位置得斯涅尔定律，有如下关系式:n金日*0050 卜RCOS“金厅=金 PA J0ncns5*-cn5cc = cns/w cc-ji 金护丘# =:式中，a为竖直nCO56 DOKCE线QV与出射光线QR得夹角，b为法线QN与竖直线QV之间得夹角，q为LED得出射角,q肪P点位置得折射角，n为透镜材料得折射率。为了配成蝙蝠翼状得光强得远场角度分布,当LED得出射角q从0°变化到76°时，输出光线满足以下得关系:再根据以下曲线 CF

13、得微分与切线 QS得正切角函数之间得关系:(10)联合公式（6 ）至（10），上表面得马鞍形曲线 CF得数值坐标可以用积分迭代法计算出来。在X方向剩余从LED射出得角度q为76°至90°得这部分光线，如果不经过配光直接 射出，则会对远处得车辆产生眩光， 这部分得光需要进行截光设计，所谓截光设计，并不就 是把这部分得光遮挡， 而就是将这部分得光重新分配到所需要得地方。 这里采用透镜两端得全反射面EF将这部分光进行收集并重新分配，计算方法同上述图 4得算法一样，重新分布后得光束角为±30°。3、全反射式二次光学透镜得计算机模拟透镜所有得透射面与反射面得轮廓线

14、计算完成之后，数据点可以输入到3D建模软件（如CATIA或者Unigraphics ）中进行3维实体模型得建立。将二次光学透镜实体连同LED得实体模型输入到LightTools5中进行光线追迹，如图6所示。LED芯片得发光面赋予1 1mm得郎伯型得发光特性， 输出光通量设置为 80 流明/瓦，单颗为 1 瓦，透镜得短边方向为垂直 于马路得方向（丫方向），透镜得长边得方向为沿着马路得方向（ X方向）。6全反射式二次光学透镜得光线追迹图Fig、6 Ray traci ng of the LED module with freeform TIR lens, side view (left) and

15、top view(right)图7为单颗透镜在12米远处得照度分布，光斑最大照度值为0、167勒克斯，在36米14米范围之内得其均匀度超过了50% 。屏幕总共收集到得光通量为78、715 l流明，换算成透镜得出光效率，为98、39375% ,考虑到透镜材料本身得透过率，假设透镜材料本身得透过率为92%，实际注塑出来得透镜产品得效率将超过90%。单颗透镜光强得远场角度分布（配光曲线）如图 8所示，图中实线为 丫方向得远场角度分布，其峰值光强一半位置处得光束角宽度约为 ±30°虚线为X方向得远场角度分布，其峰值光强一半位置处得光束 角宽度约为±60。透镜在X方向得配光

16、曲线为很好得蝙蝠翼分布。H ILuLua*ILlutasruaceLKHO -珂mw -a4UUH 弟*a .4I. LEEe-bi UAL图7单颗透镜在12米远处得照度分布Fig、7 lllu minance distributio n of the sin gle LED module at 12 meter dista neeFh CHI4 ugUUS上4： .fi292 .?图 8Fig、8 Batw ing light i nten sity far field an gle distributi on of the sin gle LED moduleLED路灯得整灯得计算机模拟由

17、于一般得道路照明要求路面照度得平均值超过20勒克斯，采用单颗得高功率 LED来实现道路得照明，其照度就是远远不够得。一盏LED路灯往往需要由很多颗 LED组成，才能达到所需得照度。根据不同路面、灯杆高低、以及灯距得要求，可以分别采用不同数量得 高功率LED, LED路灯往往有30瓦、60瓦、90瓦、120瓦、160瓦等不同得规格。由于单LED透镜按照颗二次光学透镜已经实现了长方形光斑得配光设计，整个路灯只需要将这些相同得方向排列起来装配在一个平得散热板上即可,透镜排列得间距与排列形状对配光没有影响。图9为LED路灯整灯得建模及在LightTools中得光线追迹。这里总共排列了 160颗、单颗1

18、W、每瓦80流明得LED。图9整灯得建模及光线追迹“2假设接收屏放置于12米远，由于所有得透镜都就是按照一个方向排列得，整灯得光斑形状与光强得远场角度分布与单颗透镜得完全相同，唯一不同得就是照度值与配光曲线得发光强度值按照LED得数量乘了一个倍数，如图10与图11所示。在36米长14米宽得范围,平均照度超过20勒克斯，照度均匀度超过了50%，光斑最强得照度值为 26、7勒克斯。整灯得光强得远场角度分布为蝙蝠翼分布，图中实线为Y方向得远场角度分布，其峰值光强一半位置处得光束角宽度约为±30° ；虚线为X方向得远场角度分布，其峰值光强一半位4,000 Cd (坎德置处得光束角宽度约为 ±60。在X方向，配光曲线中