一種用于LED路燈的全反射式二次光學(xué)透鏡

1、一種用于led路燈的全反射式二次光學(xué)透鏡  2010-6-9  12:06:13 中國半導(dǎo)體照明網(wǎng) 蔣金波 杜雪 李榮彬 張志輝  行業(yè)分類:燈具    瀏覽 1870次導(dǎo)讀二次光學(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(jì)，是實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的最好的方法。使得在單個(gè)透鏡模組上就可以完成高效率

2、長方形的輸出光斑、蝙蝠翼形的遠(yuǎn)場角度分布、以及實(shí)現(xiàn)截光設(shè)計(jì)。整個(gè)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(jì)的led透鏡模組，按照同一個(gè)方向排列在一塊平面的pcb板上即可，簡化了led路燈的機(jī)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(jì)，該透鏡可以實(shí)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l(fā)ed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）

3、；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(gè)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(shí)現(xiàn)精確的配光和二次光學(xué)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)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(xiàng)重要技術(shù)?，F(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(qiáng)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(jì)，那么照在馬路上的光斑會是一個(gè)“圓餅”，如圖 1（a）所

4、示，大約1半左右的光斑會散落到馬路之外而浪費(fèi)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(jī)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(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)環(huán)保和綠色的照明。另

5、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。 圖 1(a)沒有經(jīng)過二次光學(xué)設(shè)計(jì)的led路燈的光斑，(b)經(jīng)過二次光學(xué)配光設(shè)計(jì)的led路燈的光斑 fig. 1 (a) light pattern without optical design, (b) light pattern with fine optical design 全反射式二次光學(xué)透鏡可以收集從led芯片發(fā)出的全部1

6、80°的光，并重新分配到指定的區(qū)域，是個(gè)很好的解決方案。自由曲面的配光可以使led路燈光強(qiáng)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(shí)現(xiàn)截光設(shè)計(jì)，消除眩光。以下為一種全反射式二次光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì)方法。2. 全反射式二次光學(xué)透鏡的設(shè)計(jì) 圖 2 全反射式二次光學(xué)透鏡的3d模型 fig. 2 lens 3d modeling 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&

7、#176;（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(jì)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(jì)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(diǎn)“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)

8、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(gè)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

9、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(qiáng)的遠(yuǎn)場角度分布（配光曲線）為蝙蝠翼形。 圖 3 y和x剖面的設(shè)計(jì)原理 fig. 3 design principles on y and x sections在透鏡的y方向，內(nèi)凹的非球面柱面鏡的設(shè)計(jì)和外側(cè)全反射面輪廓線的設(shè)計(jì)如圖 4的(a)和(b)所示。圖 4(a)為zemax中的光路圖，從led射出的±40°以內(nèi)這部分光線，經(jīng)過柱面鏡折射之后，所有光線的反向延長線交于虛焦點(diǎn)“f”，經(jīng)過點(diǎn)“f”和柱面鏡的邊緣所形成的邊

10、緣光線，其與光軸的夾角為±19.6°，經(jīng)過上表面折射后，形成±30°的出射光線。圖 4(b)為用來計(jì)算外側(cè)全反射輪廓線上各點(diǎn)坐標(biāo)值的數(shù)學(xué)模型。其中q為led出射光線op與光軸oo¢的夾角；q(x, y)為外側(cè)全反射輪廓線上一點(diǎn)q的坐標(biāo)值，其反射線qr與光軸的夾角為d；a為全反射棱鏡入射面的拔摸角，以利于中間柱面鏡模芯的拔出，這里設(shè)置為2°。 (a) (b) 圖 4 (a) 內(nèi)凹柱面鏡y方向剖面在zemax 中的光路圖，(b)全反射棱鏡部分y方向剖面的數(shù)學(xué)建模 fig. 4 (a) optical path of the recesse

11、d aspheric cylinder in zemax software, (b) mathematic modeling of the outside tir surface 當(dāng)q角從90° 變化到40°時(shí)，反射角d（即反射光線qr和豎直線qt之間的夾角）從0°變化到19.6°。從點(diǎn)q(x, y)的角度關(guān)系，可以得出以下的式子： (1) 以及: (2) 從公式(1)及(2)，可得出以下的式子： (3) 其中，b為曲線bd在點(diǎn)q(x,y)處的切線角，g為切線qz與豎線qt的夾角，pq為p點(diǎn)位置的折射光線，q¢為pq與水平線之間的夾角。曲線bd

12、的導(dǎo)數(shù)和切線角b的正切函數(shù)之間有如下的關(guān)系： (4) 其中，dy和dx為曲線bd在y和x方向的微元。 根據(jù)在p點(diǎn)位置的斯涅爾定律34，有如下關(guān)系： 因此:(5) 當(dāng)q 角從90° 變化到40°時(shí)，d 從0°漸變到19.6°，假設(shè)ab的初始值為1mm，聯(lián)合公式(1)、(3)、(4)、和(5)，q(x, y)點(diǎn)的坐標(biāo)值可以通過數(shù)學(xué)模型的積分迭代法依次算出。 圖 5 x剖面，上表面配光設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型 fig. 5 mathematic modeling along the longitude cross section 針對上表面在x方向上的配光，其數(shù)學(xué)模型如

13、圖 5所示。根據(jù)柱面鏡底部ab輪廓線上p點(diǎn)位置的斯涅爾定律，有(6) 再根據(jù)q (x, y)點(diǎn)位置的斯涅爾定律，有如下關(guān)系式：(7) 式中，a為豎直線qv與出射光線qr的夾角，b為法線qn與豎直線qv之間的夾角，q為led的出射角，q¢為p點(diǎn)位置的折射角，n為透鏡材料的折射率。為了配成蝙蝠翼狀的光強(qiáng)的遠(yuǎn)場角度分布，當(dāng)led的出射角q從0°變化到76°時(shí)，輸出光線滿足以下的關(guān)系： , if q £60°(8) 以及 , if 60<q&pound;76(9) p <> 再根據(jù)以下曲線cf的微分和切線qs的正切角函數(shù)之間的

14、關(guān)系： (10) 聯(lián)合公式（6）至（10），上表面的馬鞍形曲線cf的數(shù)值坐標(biāo)可以用積分迭代法一一計(jì)算出來。 在x方向剩余從led射出的角度q為76° 至90°的這部分光線，如果不經(jīng)過配光直接射出，則會對遠(yuǎn)處的車輛產(chǎn)生眩光，這部分的光需要進(jìn)行截光設(shè)計(jì)，所謂截光設(shè)計(jì)，并不是把這部分的光遮擋，而是將這部分的光重新分配到所需要的地方。這里采用透鏡兩端的全反射面ef將這部分光進(jìn)行收集并重新分配，計(jì)算方法同上述圖 4的算法一樣，重新分布后的光束角為±30°。3. 全反射式二次光學(xué)透鏡的計(jì)算機(jī)模擬 透鏡所有的透射面和反射面的輪廓線計(jì)算完成之后，數(shù)據(jù)點(diǎn)可以輸入到3d建模

15、軟件（如catia或者unigraphics）中進(jìn)行3維實(shí)體模型的建立。將二次光學(xué)透鏡實(shí)體連同led的實(shí)體模型輸入到lighttools5中進(jìn)行光線追跡，如圖 6所示。led芯片的發(fā)光面賦予1´1mm的郎伯型的發(fā)光特性，輸出光通量設(shè)置為80流明/瓦，單顆為1瓦，透鏡的短邊方向?yàn)榇怪庇隈R路的方向（y方向），透鏡的長邊的方向?yàn)檠刂R路的方向（x方向）。 圖 6 全反射式二次光學(xué)透鏡的光線追跡 fig. 6 ray tracing of the led module with freeform tir lens, side view (left) and top view (right)

16、圖 7為單顆透鏡在12米遠(yuǎn)處的照度分布，光斑最大照度值為0.167 勒克斯，在36米´14米范圍之內(nèi)的其均勻度超過了50%。屏幕總共收集到的光通量為78.715 l流明，換算成透鏡的出光效率，為98.39375%，考慮到透鏡材料本身的透過率，假設(shè)透鏡材料本身的透過率為92%，實(shí)際注塑出來的透鏡產(chǎn)品的效率將超過90%。單顆透鏡光強(qiáng)的遠(yuǎn)場角度分布（配光曲線）如圖 8所示，圖中實(shí)線為y方向的遠(yuǎn)場角度分布，其峰值光強(qiáng)一半位置處的光束角寬度約為±30°；虛線為x方向的遠(yuǎn)場角度分布，其峰值光強(qiáng)一半位置處的光束角寬度約為±60°。透鏡在x方向的配光曲線為很好

17、的蝙蝠翼分布。 圖 7 單顆透鏡在12米遠(yuǎn)處的照度分布 fig. 7 illuminance distribution of the single led module at 12 meter distance 圖 8 單顆透鏡光強(qiáng)的遠(yuǎn)場角度分布 fig. 8 batwing light intensity far field angle distribution of the single led module 4. led路燈的整燈的計(jì)算機(jī)模擬 由于一般的道路照明要求路面照度的平均值超過20勒克斯，采用單顆的高功率led來實(shí)現(xiàn)道路的照明，其照度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。一盞led路燈往往需要由很多顆l

18、ed組成，才能達(dá)到所需的照度。根據(jù)不同路面、燈桿高低、以及燈距的要求，可以分別采用不同數(shù)量的高功率led，led路燈往往有30瓦、60瓦、90瓦、120瓦、160瓦等不同的規(guī)格。由于單顆二次光學(xué)透鏡已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了長方形光斑的配光設(shè)計(jì)，整個(gè)路燈只需要將這些led透鏡按照相同的方向排列起來裝配在一個(gè)平的散熱板上即可，透鏡排列的間距和排列形狀對配光沒有影響。圖 9為led路燈整燈的建模及在lighttools中的光線追跡。這里總共排列了160顆、單顆1w、每瓦80流明的led。 圖 9整燈的建模及光線追跡 fig. 9 3d modeling of the led streetlight and ray

19、 tracing 假設(shè)接收屏放置于12米遠(yuǎn)，由于所有的透鏡都是按照一個(gè)方向排列的，整燈的光斑形狀和光強(qiáng)的遠(yuǎn)場角度分布與單顆透鏡的完全相同，唯一不同的是照度值和配光曲線的發(fā)光強(qiáng)度值按照led的數(shù)量乘了一個(gè)倍數(shù)，如圖 10和圖 11所示。在36米長´14米寬的范圍，平均照度超過20勒克斯，照度均勻度超過了50%，光斑最強(qiáng)的照度值為26.7 勒克斯。整燈的光強(qiáng)的遠(yuǎn)場角度分布為蝙蝠翼分布，圖中實(shí)線為y方向的遠(yuǎn)場角度分布，其峰值光強(qiáng)一半位置處的光束角寬度約為±30°；虛線為x方向的遠(yuǎn)場角度分布，其峰值光強(qiáng)一半位置處的光束角寬度約為±60°。在x方向，配光

20、曲線中心的發(fā)光強(qiáng)度值約為4,000 cd (坎德拉)，±60°的位置約為8,000 cd。光斑寬度超過14米，大約可以覆蓋4車道。 圖 10整燈在12米遠(yuǎn)處的照度分布 fig. 10 led streetlight illuminance distribution at 12 meter distance 圖 11 整燈光強(qiáng)的遠(yuǎn)場角度分布 fig. 11 led streetlight light intensity far field angle distribution 5. 結(jié)論: 由于大部分出廠的高功率白光led為郎伯型的光度分布，利用xy方向非軸對稱的自由曲面二次光學(xué)的配光設(shè)計(jì)可以有效解決路燈的光型、出光效率、均勻性、配光