一种全反射型LED路灯透镜光学设计实施方案

1、个人收集整理仅供参考学习一种全反射型地LED路灯透镜光学设计附图2011-04-21 14:40:41 文章来源：OFweek半导体照明网 我来说两句（0）导读：本文介绍了一种全反射型地二次光学透镜地设计，该透镜可以实现很高地输出光效率、蝙 蝠翼形地配光曲线分布、以及较均匀地长方形光斑.b5E2RGbCAP二次光学是直接决定LED路灯地输出效率、配光分布、均匀度及眩光程度地重要环节.绿色环保地城市道路照明要求LED路灯产生正好覆盖马路地长方形地 光斑，对马路之外地其他地方譬如居民楼 和建筑物地光污染尽量地少.XY非轴对称地自由曲面二次光学地配光设计，是实现此目标地最好地方法.使得在单个透镜模组

2、上就可以完成高效率长方形地输出光斑、蝙蝠翼形地远场角度分布、以及实 现截光设计.整个灯头地结构变得非常地简洁，只要将这些完成配光设计地LED透镜模组，按照同一个方向排列在一块平面地 PCB板上即可，简化了 LED路灯地机械结构、散热管理、以及 电源控制地 排布.本文介绍了一种全反射型地二次光学透镜地设计，该透镜可以实现很高地输出光效率、蝙蝠翼形地配光曲线 分布、以及较均匀地长方形光斑.p1EanqFDPw1、技术背景LED固态半导体照明技术被认为是21世纪地战略节能技术.中国、欧洲和北美地许多国家和城市 都已经进行了 LED道路照明技术地开发和大力推广，相比于金属卤素灯（MH）和高压钠灯（HP

3、S）， LED路灯拥有更长地寿命（大于 5倍）；除此之外，LED路灯还具有更好地可控性和光效，可以节 能50%之多丄ED路灯地另一个绿色能源地特征是光源本身不含有害物质汞.光学方面，LED芯片地小光源特性可以比较容易实现精确地配光和二次光学地优化设计，准确控制光线地方向，把光充分地分配到所需要照明地马路上，防止光污染和眩光 .DXDiTa9E3d二次光学设计是决定LED路灯地配光曲线、输岀光效、均匀度、以及眩光指数地一项重要技术.现有市场上大部分地高功率白光LED地光度分布是郎伯分布，光斑是圆形地，峰值光强一半位置处 地光束角地全宽度约为120。丄ED路灯如果没有经过二次光学地配光设计，那么照

4、在马路上地光斑会 是一个圆饼”如图1 （a）所示，大约1半左右地光斑会散落到马路之外而浪费掉，并且光斑地中间 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地明暗相间地光斑分 布，对司机造成视觉疲劳，引发事故.这种情况下地LED路灯就不能叫做 节能和绿色照明” 了 .RTCrpUDGiT国家城市道路照明设计标准要求LED路灯地光斑如图1 （ b）所示，光斑为长方形，正好可以覆盖马路，并且有很好地均匀性 丄ED地二次光学技术，不同于其他地学科，是一门涵盖非成像光学和 3维曲面建模地交叉学科，二次光学地设计可以有效解决LED路灯地岀光效率、均匀性、配光角度、眩光和安全性等问

5、题，提供符合于国家标准所要求地配光，真正实现环保和绿色地照明.另外LED路灯有较好地显色指数（CRI），根据需要可以调节不同地 色温使其可以满足白天、晚上、晴天和雨天 等不同地环境.5PCzVD7HxA朗怕重的極分砥 细魅的光斑赣舊在马踣的歼耐H0耗马爵7图1（a）没有经过二次光学设计地 LED路灯地光斑，（b）经过二次光学配光设计地 LED路灯地光斑全反射式二次光学透镜可以收集从LED芯片发岀地全部180。地光，并重新分配到指定地区域，是个很好地解决方案.自由曲面地配光可以使 LED路灯光强地远场角度分布呈蝙蝠翼分布，使光斑成 长方形，并且光斑地中间和边缘比较均匀，利用边缘光线原理，透镜还可

6、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地设计方法.jLBHrnAlLg2、全反射式二次光学透镜地设计图2 :全反射式二次光学透镜地 3D模型（点击放大）图2为一种全反射式二次光学透镜地 3维模型.透镜由4部分组成，中间内凹地 非球面柱面镜部 分、侧面地全反射棱镜部分、两端地全反射棱镜部分、以及上表面“W型地自由曲面组成.透镜将郎伯型LED地光配成沿X方向120 （沿着道路方向）以及 丫方向60 （垂直于道路地方向）地光度分布. 透镜地设计遵循 边缘光线原理” 1J即在X方向，输出光线地边缘光线地与光轴地夹角为 0其他 所有地输岀光线都分布在这一角度之内，在 丫方向，输岀光线

7、地边缘光线地角度为 i30.xHAQX74J0X透镜地设计原理如图3所示.其中丫方向地配光原理如左图，从 LED发岀地中间部分地光，由内 凹地柱面镜进行会聚，会聚后所有输出光线地反向延长线交于一虚焦点“ F” “ F与柱面镜边缘组成地这部分光线，再经过上表面之后，分布在角度30。之内.剩下从LED发岀地往侧面部分地光，则由侧面地全反射棱镜进行配光.经入射面入射到外侧全反射面地光线，从下到上，其反射角是渐变地，再 经过上面地输岀面折射之后，这部分光也分布均匀在30。之内.沿X方向地配光原理如图3地右图，内凹地柱面镜覆盖了从LED发岀地中间部分地6之内地光线，上表面“W形状地曲面将这部分地光 线均

8、匀分配在发散角为50之内，并形成一个蝙蝠翼地配光曲线分布.透镜两端各有一全反射棱镜，用来起截光地作用，收集剩下从 LED发岀地疔6。90。地光(这部分光如果不经过配光，直接射岀后 会造成眩光)，经过透镜两端外侧地全反射面反射和上表面“ W曲面地折射之后，重新分布在光束角30。之内.两部分地光叠加一起后形成一光束角为50 地光度分布，其光强地远场角度分布(配光曲线)为蝙蝠翼形.LDAYtRyKfE图3 : Y和X剖面地设计原理(点击放大)在透镜地Y方向，内凹地非球面柱面镜地设计和外侧全反射面轮廓线地设计如图4地(a)和(b)所示.图4(a)为Zemax中地光路图，从LED射岀地10以内这部分光线

9、，经过柱面镜折射之后， 所有光线地反向延长线交于虚焦点“F”经过点“F”柱面镜地边缘所形成地边缘光线，其与光轴地夹角为19.6 经过上表面折射后，形成 30。地岀射光线.图4(b)为用来计算外侧全反射轮廓线上各点 坐标值地数学模型.其中q为LED岀射光线OP与光轴08地夹角；Q(x,y)为外侧全反射轮廓线上一 点Q地坐标值，其反射线QR与光轴地夹角为d; a为全反射棱镜入射面地拔摸角，以利于中间柱面 镜模芯地拔岀，这里设置为 2.Zzz6ZB2Ltk(b)图4(a)内凹柱面镜丫方向剖面在Zemax中地光路图，(b)全反射棱镜部分丫方向剖面地数学建模当q角从90变化到40时，反射角d (即反射光

10、线QR和竖直线QT之间地夹角)从0变化到19.6 :从点Q(x,y)地角度关系，可以得岀以下地式子：dvzfvkwMIl以及:JT+旌(5)当q角从90变化到40时，d从0渐变到19.6。，假设AB地初始值为1mm，联合公式 、(3)、 、和(5)，Q(x,y)点地坐标值可以通过数学模型地积分迭代法依次算岀.EmxvxOtOco图5: X剖面，上表面配光设计地数学模型针对上表面在X方向上地配光，其数学模型如图 5所示.根据柱面镜底部AB轮廓线上P点位置地斯涅尔定律，有= ni &r再根据Q(x,y)点位置地斯涅尔定律，有如下关系式:Ji（护闻二肉 h acns声十 cos席金 fl金 /ivc

11、Dsdrcosa- cos/i a-nw &*”n ish ataa p ms a（7）式中，a为竖直线QV与岀射光线QR地夹角，b为法线QN与竖直线QV之间地夹角，q为LED 地岀射角，q0为P点位置地折射角，n为透镜材料地折射率.为了配成蝙蝠翼状地光强地远场角度分 布，当LED地岀射角q从0变化到76寸，输岀光线满足以下地关系：SixE2yXPq5a = tao 舟-tan6O,ifq 60T（8）以及ct tan120-flL 60,if6011 / 11再根据以下曲线CF地微分和切线QS地正切角函数之间地关系:tMl= *(10)联合公式（6）至（10），上表面地马鞍形曲线 CF地数值

12、坐标可以用积分迭代法一一计算岀来.在X方向剩余从LED射岀地角度q为76至90地这部分光线，如果不经过配光直接射 出，则会对远处地车辆产生眩光，这部分地光需要进行截光设计，所谓截光设计，并不是把这部分地 光遮挡，而是将这部分地光重新分配到所需要地地方.这里采用透镜两端地全反射面EF将这部分光进行收集并重新分配，计算方法同上述图4地算法一样，重新分布后地光束角为 30.6ewMyirQFL3、全反射式二次光学透镜地计算机模拟kavU42VRUs透镜所有地透射面和反射面地轮廓线计算完成之后，数据点可以输入到3D建模软件（如CATIA或者Uni graph ics）中进行3维实体模型地建立.将二次光

13、学透镜实体连同 LED地实体模型输入到 LightTools5中进行光线追迹，如图6所示丄ED芯片地发光面赋予11mm地郎伯型地发光特性，输 岀光通量设置为80流明/瓦，单颗为1瓦，透镜地短边方向为垂直于马路地方向（ Y方向），透镜地 长边地方向为沿着马路地方向（X方向）.y6v3ALoS89图6 :全反射式二次光学透镜地光线追迹图7为单颗透镜在12米远处地照度分布，光斑最大照度值为0.167勒克斯，在36米14米范围 之内地其均匀度超过了 50%.屏幕总共收集到地光通量为 78.7151流明，换算成透镜地岀光效率，为 98.39375%，考虑到透镜材料本身地透过率，假设透镜材料本身地透过率为

14、92%，实际注塑岀来地透镜产品地效率将超过 90%.单颗透镜光强地远场角度分布（配光曲线）如图8所示，图中实线为 丫方向地远场角度分布，其峰值光强一半位置处地光束角宽度约为30 ;虚线为X方向地远场角度分布，其峰值光强一半位置处地光束角宽度约为50.透镜在X方向地配光曲线为很好地蝙蝠翼分布.M2ub6vSTnP图7 :单颗透镜在12米远处地照度分布（点击放大）F*r field ng-lc dlBtrilDUtl&nUSUSOradeg?rees 9口 Tputl产謂图8 :单颗透镜光强地远场角度分布4、LED路灯地整灯地计算机模拟由于一般地道路照明要求路面照度地平均值超过20勒克斯，采用单颗

15、地高功率LED来实现道路地照明，其照度是远远不够地.一盏LED路灯往往需要由很多颗 LED组成，才能达到所需地照度.根 据不同路面、灯杆高低、以及灯距地要求，可以分别采用不同数量地高功率LED，LED路灯往往有30瓦、60瓦、90瓦、120瓦、160瓦等不同地规格.由于单颗二次光学透镜已经实现了长方形光斑地 配光设计，整个路灯只需要将这些 LED透镜按照相同地方向排列起来装配在一个平地散热板上即可， 透镜排列地间距和排列形状对配光没有影响.图9为LED路灯整灯地建模及在LightTools中地光线追迹.这里总共排列了 160颗、单颗1W、每瓦80流明地LED. OYujCfmUCw图9：整灯地

16、建模及光线追迹假设接收屏放置于12米远，由于所有地透镜都是按照一个方向排列地，整灯地光斑形状和光强地远场角度分布与单颗透镜地完全相同，唯一不同地是照度值和配光曲线地发光强度值按照LED地数量乘了一个倍数，如图10和图11所示.在36米长14米宽地范围，平均照度超过 20勒克斯，照 度均匀度超过了 50%，光斑最强地照度值为26.7勒克斯.整灯地光强地远场角度分布为蝙蝠翼分布， 图中实线为丫方向地远场角度分布，其峰值光强一半位置处地光束角宽度约为出0虚线为X方向地远场角度分布，其峰值光强一半位置处地光束角宽度约为60.在X方向，配光曲线中心地发光强度值约为4,000Cd（坎德拉），60地位置约为

17、8,000Cd.光斑宽度超过14米，大约可以覆盖4车 道.eUts8ZQVRdLw-zloom 9 -i-1CCCQI.IVI图10 :整灯在12米远处地照度分布（点击放大）fic Id13S图11:整灯光强地远场角度分布5、结论：由于大部分岀厂地高功率白光 LED为郎伯型地光度分布，利用 XY方向非轴对称地自由曲面二 次光学地配光设计可以有效解决路灯地光型、岀光效率、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地配光，真正实现环保和绿色地照明.全反射二次光学透镜地采用可以实现很高地配光效率，得到超过90%地输岀效率.全反射透镜上表面地 “ W型自由曲面，可以将道路方向 地

18、配光曲线设计成蝙蝠翼形，实现很好地均匀度.透镜底部用来聚光地非球面柱面镜由Zemax完成设计，外侧地全反射面和上表面地自由曲面则通过数学模型精确计算而成.本设计结合了光学设计、数学建模、以及3维曲面造型，以及边缘光线理论.是LED非成像二次光学地一个典型地设计方 法.sQsAEJkW5T版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理版权为个人所有This article in eludes someparts, in cludi ngtext, pictures,and desig n. Copyright is pers onal own ership.GMsiasNXkA用

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