LED路灯透镜光学设计

抗震床LED路灯透镜光学设计

二次光学就是直接决定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，对马路之外的其她地方譬如居民楼与建筑物的光污染尽量的少。XY非轴对称的自由曲面二次光学的配光设计，就是实现此目标的最好的方法。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、蝙蝠翼形的远场角度分布、以及实现截光设计。整个灯头的结构变得非常的简洁，只要将这些完成配光设计的LED透镜模组，按照同一个方向排列在一块平面的PCB板上即可，简化了LED路灯的机械结构、散热管理、以及电源控制的排布。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、蝙蝠翼形的配光曲线分布、以及较均匀的长方形光斑。

1、技术背景LED固态半导体照明技术被认为就是21世纪的战略节能技术。中国、欧洲与北美的许多国家与城市都已经进行了LED道路照明技术的开发与大力推广，相比于金属卤素灯(MH)与高压钠灯(HPS),LED路灯拥有更长的寿命(大于5倍)；除此之外,LED路灯还具有更好的可控性与光效，可以节能50%之多。LED路灯的另一个绿能源的特征就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与二次光学的优化设计，准确控制光线的方向，把光充分的分配到所需要照明的马路上，防止光污染与眩光。二次光学设计就是决定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的光度分布就是郎伯分布，

光斑就是圆形的，峰值光强一半位置处的光束角的全宽度约为120°。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就是一个“圆饼”，如图1(a)所示，大约1半左右的光斑会散落到马路之外而浪费掉，并且光斑的中间会比较亮，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”与“绿照明”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，不同于其她的学科，就是一门涵盖非成像光学与3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、眩光与安全性等问题，提供符合于国家标准所要求的配光，真正实现环保与绿的照明。另外LED路灯有较好的显指数(CRI)，根据需要可以调节不同的温使其可以满足白天、晚上、晴天与雨天等不

同的环境。

闪光棒图1(a)没有经过二次光学设计的LED路灯的光斑,(b)经过二次光学配光设计的LED路灯的光斑

Fig、1 (a) Light pattern without optical design, (b) Light pattern with fine optical design 全反射式二次光学透镜可以收集从LED芯片发出的全部180°的光，并重新分配到指定的区域，就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

的中间与边缘比较均匀，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。2、全反射式二次光学

贺育民

透镜的设计

图2 全反射式二次光学透镜的3D模型

Fig、2 Lens 3D modeling 图2为一种全反射式二次光学透镜的3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120°(沿着道路方向)以及Y方向60°(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” [1],

即在X方向，输出光线的边缘光线的与光轴的夹角为±60°，其她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±30°。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会聚，会聚后所有输出光线的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±30°之内。

剩下从LED发出的往侧面部分的光，则由侧面的全反射棱镜进行配光。经入射面入射到外侧全反射面的光线，从下到上，其反射角就是渐变的,

电热炉再经过上面的输出面折射之后，这部分光也分布均匀在±30°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±76°之内的光线，上表面“W”形状的曲面将这部分的光线均匀分配在发散角为±60°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±76°~90°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与上表面“W”曲面的折射之后，重新分布在光束角±30°之内。两部分的光叠加一起后形成一光束角为

±60°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与X剖面的设计原理

Fig、3 Design principles on Y and X sections在透镜的Y方向，内凹的非球面柱面镜的设计与外侧全反射面轮廓线的设计如图4的(a)与(b)所示。图4(a)为Zemax中的光路图，从LED射出的±40°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”与柱面镜的边缘所形成的边缘光线，其与光轴的夹角为±19、6°，经过上表面折射后，形成±30°的出射光线。图4(b)为用来计算外侧全反射轮廓线上各点坐标值的数学模型。其中q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d;a为全反射棱镜入射面的拔摸角，以利于中间柱面镜

模芯的拔出，这里设置为2°。

(a)

(b)

脚底按摩鞋>新菠萝灰粉蚧图4 (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

Fig、4 (a) Optical path of the recessed aspheric cylinder in Zemax software, (b) Mathematic modeling 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之间的夹角)从0°变化到19、6°。从点Q(x, y)的角度关系，可以得出以下的式子:

(1) 以及:

(2) 从公式(1)及(2)，可得出以下的式子:

(3) 其中,b为曲线BD在点Q(x,y)处的切线角,g为切线QZ 与竖线QT的夹角,PQ为P点位置的折射光线,q¢为PQ与水平线之间的夹角。曲线BD的导数与切线角b的正切函数之间有如下的关系:

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