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LED路灯透镜光学设计

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Fig.1(a)Lightpatternwithoutopticaldesign,(b)Lightpatternwithfineopticaldesign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Fig.2Lens3Dmodeling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±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