LED固態(tài)半導體照明技術(shù)被認為是21世紀的戰(zhàn)略節(jié)能技術(shù)中國歐洲

1、led 固態(tài)半導體 照明技術(shù) 被認為是21世紀的戰(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,相比于金屬鹵素燈 (mh)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 的優(yōu)化設(shè)計 ,準確控制光線的方向,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。    全反射式二次光學透鏡可以收集從led

2、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透鏡的設(shè)計方法。 2. 全反射式二次光學透鏡的設(shè)計    圖 2 全反射式二次光學透鏡的3d模型fig. 2 lens 3d modeling 圖 2為一種全反射式二次光學透鏡的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

3、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

4、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&

5、#176;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,其光強的遠場角度分布(配光曲線)為蝙蝠翼形。  在透鏡的y方向,內(nèi)凹的非球面柱面鏡的設(shè)計和外側(cè)全反射面輪廓線的設(shè)計如圖 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“f”,經(jīng)過點“f”和柱面鏡的邊緣所形成的邊

6、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)為用來計算外側(cè)全反射輪廓線上各點坐標值的數(shù)學模型。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q的坐標值,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) (4) 其中,dy和dx為曲線bd在y和x方向的微元。 根據(jù)在p點位置的斯涅爾定律34,有如下關(guān)系：  圖 5 x剖面,上

7、表面配光設(shè)計的數(shù)學模型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)學模型如圖 5所示。根據(jù)柱面鏡底部ab輪廓線上p點位置的斯涅爾定律,有 (6) 再根據(jù)q (x, y)點位置的斯涅爾定律,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的遠場角度分布,當led的出射角q從0°變化到76&#

8、176;時,輸出光線滿足以下的關(guān)系： , if q 60°(8)(10) 聯(lián)合公式(6)至(10),上表面的馬鞍形曲線cf的數(shù)值坐標可以用積分迭代法一一計算出來。 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,則會對遠處的車輛產(chǎn)生眩光,這部分的光需要進行截光設(shè)計,所謂截光設(shè)計,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將這部分光進行收集并重新分配,計算方法同上述圖 4的算法一樣,重新分布后的光束角為±30°。 3

9、. 全反射式二次光學透鏡的計算機模擬 透鏡所有的透射面和反射面的輪廓線計算完成之后,數(shù)據(jù)點可以輸入到3d建模軟件(如catia或者unigraphics)中進行3維實體模型的建立。將二次光學透鏡實體連同led的實體模型輸入到lighttools5中進行光線追跡,如圖 6所示。led芯片的發(fā)光面賦予11mm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,透鏡的短邊方向為垂直于馬路的方向(y方向),透鏡的長邊的方向為沿著馬路的方向(x方向)。 圖 6 全反射式二次光學透鏡的光線追跡fig. 6 ray tracing of the led module with

10、freeform tir lens, side view (left) and top view (right) 圖 7為單顆透鏡在12米遠處的照度分布,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%,實際注塑出來的透鏡產(chǎn)品的效率將超過90%。單顆透鏡光強的遠場角度分布(配光曲線)如圖 8所示,圖中實線為y方向的遠場角度分布,其峰值光強一半位置處的光束角寬度約為±30°虛線為x方向

11、的遠場角度分布,其峰值光強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的蝙蝠翼分布。 圖 7 單顆透鏡在12米遠處的照度分布fig. 7 illuminance distribution of the single led module at 12 meter distance圖 8 單顆透鏡光強的遠場角度分布fig. 8 batwing light intensity far field angle distribution of the single led module 4. led路燈的整燈的計算機模擬 由于一般的道

12、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來實現(xiàn)道路的照明,其照度是遠遠不夠的。一盞led路燈往往需要由很多顆led組成,才能達到所需的照度。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。由于單顆二次光學透鏡已經(jīng)實現(xiàn)了長方形光斑的配光設(shè)計,整個路燈只需要將這些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

13、led。 圖 9整燈的建模及光線追跡fig. 9 3d modeling of the led streetlight and ray tracing 假設(shè)接收屏放置于12米遠,由于所有的透鏡都是按照一個方向排列的,整燈的光斑形狀和光強的遠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)光強度值按照led的數(shù)量乘了一個倍數(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%,光斑最強的照度值為26.7 勒克斯。整燈的光強的遠場角度分布為蝙蝠翼分布,圖中實線為y方向的遠場角度分布,其峰值光強一半位置處的光束角寬度

14、約為±30°虛線為x方向的遠場角度分布,其峰值光強一半位置處的光束角寬度約為±60°。在x方向,配光曲線中心的發(fā)光強度值約為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米遠處的照度分布fig. 10 led streetlight illuminance distribution at 12 meter distance 圖 11 整燈光強的遠場角度分布 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的配光設(shè)計可以有效解決路燈的光型、出光效率、均勻性、配光角度、眩光和安全性等問題,提