一种全反射型的LED路灯透镜光学设计.pdf

一种全反射型的LED路灯透镜光学设计[附图]
2011-04-2114:40:41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。

二次光学是直接决定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。XY非轴对称的自由曲面二次光学的配光设计，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
的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的光度分布是郎伯分布，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”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
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。

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

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，
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。

2、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（点击放大）

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±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，其反射角是渐变的，
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