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光學(xué)設(shè)計軟件

一種全反射型的LED路燈透鏡光學(xué)設(shè)計(一)

星之球激光 來源:半導(dǎo)體照明網(wǎng)2012-03-21 我要評論(0 )   

二次 光學(xué) 是直接決定 LED路燈 的輸出效率、配光分布、均勻度及眩光程度的重要環(huán)節(jié)。綠色環(huán)保的城市道路照明要求LED路燈產(chǎn)生正好覆蓋馬路的長方形的 光斑 ,對馬路之外...

       二次光學(xué)是直接決定LED路燈的輸出效率、配光分布、均勻度及眩光程度的重要環(huán)節(jié)。綠色環(huán)保的城市道路照明要求LED路燈產(chǎn)生正好覆蓋馬路的長方形的光斑,對馬路之外的其他地方譬如居民樓和建筑物的光污染盡量的少。XY非軸對稱的自由曲面二次光學(xué)的配光設(shè)計,是實現(xiàn)此目標(biāo)的最好的方法。使得在單個透鏡模組上就可以完成高效率長方形的輸出光斑、蝙蝠翼形的遠(yuǎn)場角度分布、以及實現(xiàn)截光設(shè)計。整個燈頭的結(jié)構(gòu)變得非常的簡潔,只要將這些完成配光設(shè)計的LED透鏡模組,按照同一個方向排列在一塊平面的PCB板上即可,簡化了LED路燈的機械結(jié)構(gòu)、散熱管理、以及電源控制的排布。本文介紹了一種全反射型的二次光學(xué)透鏡的設(shè)計,該透鏡可以實現(xiàn)很高的輸出光效率、蝙蝠翼形的配光曲線分布、以及較均勻的長方形光斑。

  1、技術(shù)背景

  LED固態(tài)半導(dǎo)體照明技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)的戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)。中國、歐洲和北美的許多國家和城市都已經(jīng)進(jìn)行了LED道路照明技術(shù)的開發(fā)和大力推廣,相比于金屬鹵素?zé)簦∕H)和高壓鈉燈(HPS),LED路燈擁有更長的壽命(大于5倍);除此之外,LED路燈還具有更好的可控性和光效,可以節(jié)能50%之多。LED路燈的另一個綠色能源的特征是光源本身不含有害物質(zhì)汞。光學(xué)方面,LED芯片的小光源特性可以比較容易實現(xiàn)精確的配光和二次光學(xué)的優(yōu)化設(shè)計,準(zhǔn)確控制光線的方向,把光充分的分配到所需要照明的馬路上,防止光污染和眩光。

  二次光學(xué)設(shè)計是決定LED路燈的配光曲線、輸出光效、均勻度、以及眩光指數(shù)的一項重要技術(shù)。現(xiàn)有市場上大部分的高功率白光LED的光度分布是郎伯分布,光斑是圓形的,峰值光強一半位置處的光束角的全寬度約為120°。LED路燈如果沒有經(jīng)過二次光學(xué)的配光設(shè)計,那么照在馬路上的光斑會是一個“圓餅”,如圖1(a)所示,大約1半左右的光斑會散落到馬路之外而浪費掉,并且光斑的中間會比較亮,到周圍會逐漸變暗。這種燈裝在馬路上之后,路燈之間會形成很明顯的明暗相間的光斑分布,對司機造成視覺疲勞,引發(fā)事故。這種情況下的LED路燈就不能叫做“節(jié)能”和“綠色照明”了。

  國家城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求LED路燈的光斑如圖1(b)所示,光斑為長方形,正好可以覆蓋馬路,并且有很好的均勻性。LED的二次光學(xué)技術(shù),不同于其他的學(xué)科,是一門涵蓋非成像光學(xué)和3維曲面建模的交叉學(xué)科,二次光學(xué)的設(shè)計可以有效解決LED路燈的出光效率、均勻性、配光角度、眩光和安全性等問題,提供符合于國家標(biāo)準(zhǔn)所要求的配光,真正實現(xiàn)環(huán)保和綠色的照明。另外LED路燈有較好的顯色指數(shù)(CRI),根據(jù)需要可以調(diào)節(jié)不同的色溫使其可以滿足白天、晚上、晴天和雨天等不同的環(huán)境。

LED

  圖1(a)沒有經(jīng)過二次光學(xué)設(shè)計的LED路燈的光斑,(b)經(jīng)過二次光學(xué)配光設(shè)計的LED路燈的光斑

  全反射式二次光學(xué)透鏡可以收集從LED芯片發(fā)出的全部180°的光,并重新分配到指定的區(qū)域,是個很好的解決方案。自由曲面的配光可以使LED路燈光強的遠(yuǎn)場角度分布呈蝙蝠翼分布,使光斑成長方形,并且光斑的中間和邊緣比較均勻,利用邊緣光線原理,透鏡還可以實現(xiàn)截光設(shè)計,消除眩光。以下為一種全反射式二次光學(xué)透鏡的設(shè)計方法。

2、全反射式二次光學(xué)透鏡的設(shè)計

LED

圖2:全反射式二次光學(xué)透鏡的3D模型(點擊放大)

  圖2為一種全反射式二次光學(xué)透鏡的3維模型。透鏡由4部分組成,中間內(nèi)凹的非球面柱面鏡部分、側(cè)面的全反射棱鏡部分、兩端的全反射棱鏡部分、以及上表面“W”型的自由曲面組成。透鏡將郎伯型LED的光配成沿X方向120°(沿著道路方向)以及Y方向60°(垂直于道路的方向)的光度分布。透鏡的設(shè)計遵循“邊緣光線原理”[1],即在X方向,輸出光線的邊緣光線的與光軸的夾角為±60°,其他所有的輸出光線都分布在這一角度之內(nèi),在Y方向,輸出光線的邊緣光線的角度為±30°。

  透鏡的設(shè)計原理如圖3所示。其中Y方向的配光原理如左圖,從LED發(fā)出的中間部分的光,由內(nèi)凹的柱面鏡進(jìn)行會聚,會聚后所有輸出光線的反向延長線交于一虛焦點“F”,“F”與柱面鏡邊緣組成的這部分光線,再經(jīng)過上表面之后,分布在角度±30°之內(nèi)。剩下從LED發(fā)出的往側(cè)面部分的光,則由側(cè)面的全反射棱鏡進(jìn)行配光。經(jīng)入射面入射到外側(cè)全反射面的光線,從下到上,其反射角是漸變的,再經(jīng)過上面的輸出面折射之后,這部分光也分布均勻在±30°之內(nèi)。沿X方向的配光原理如圖3的右圖,內(nèi)凹的柱面鏡覆蓋了從LED發(fā)出的中間部分的±76°之內(nèi)的光線,上表面“W”形狀的曲面將這部分的光線均勻分配在發(fā)散角為±60°之內(nèi),并形成一個蝙蝠翼的配光曲線分布。透鏡兩端各有一全反射棱鏡,用來起截光的作用,收集剩下從LED發(fā)出的±76°~90°的光(這部分光如果不經(jīng)過配光,直接射出后會造成眩光),經(jīng)過透鏡兩端外側(cè)的全反射面反射和上表面“W”曲面的折射之后,重新分布在光束角±30°之內(nèi)。兩部分的光疊加一起后形成一光束角為±60°的光度分布,其光強的遠(yuǎn)場角度分布(配光曲線)為蝙蝠翼形。

LED

圖3:Y和X剖面的設(shè)計原理

 

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