一種全反射型的LED路燈透鏡光學(xué)設(shè)計(jì)[附圖]

1、一種全反射型的LED路燈透鏡光學(xué)設(shè)計(jì)附圖摘要：實(shí)現(xiàn)了一種全集成可變帶寬中頻寬帶低通濾波器，討論分析了跨導(dǎo)放大器-電容(OTAC)連續(xù)時(shí)間型濾波器的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)，使用外部可編程電路對(duì)所設(shè)計(jì)濾波器帶寬進(jìn)行控制，并利用ADS軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，該濾波器帶寬的可調(diào)范圍為126 MHz，阻帶抑制率大于35 dB，帶內(nèi)波紋小于05 dB，采用18 V電源，TSMC 018m CMOS工藝庫仿真，功耗小于21 mW，頻響曲線接近理想狀態(tài)。關(guān)鍵詞：Butte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

2、蓋馬路的長方形的光斑，對(duì)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(duì)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)

3、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(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

4、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(huì)是一個(gè)“圓餅”，如圖1（a）所示，大約1半左右的光斑會(huì)散落到馬路之外而浪費(fèi)掉，并且光斑的中間會(huì)比較亮，到周圍會(huì)逐漸變暗。這種燈裝在馬路上之后，路燈之間會(huì)形成很明顯的明暗相間的光斑分布，對(duì)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)

5、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(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

6、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。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(duì)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(duì)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

7、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(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

8、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(huì)是一個(gè)“圓餅”，如圖1（a）所示，大約1半左右的光斑會(huì)散落到馬路之外而浪費(fèi)掉，并且光斑的中間會(huì)比較亮，到周圍會(huì)逐漸變暗。這種燈裝在馬路上之后，路燈之間會(huì)形成很明顯的明暗相間的光斑分布，對(duì)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

9、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

10、，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（點(diǎn)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(jì)遵循“邊緣光線原理”

11、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(huì)聚，會(huì)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)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

12、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7690的光（這部分光如果不經(jīng)過配光，直接射出后會(huì)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(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（點(diǎn)擊放大） 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Zema

13、x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)建模當(dāng)q角從90變化到40時(shí)，

14、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)，

15、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)模型針對(duì)上表面在X方向上的配光，其數(shù)學(xué)模型如圖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： ,ifq60(8) 以及 ,if60再根據(jù)以下曲線CF的微分和切線QS的正切角函數(shù)之間的關(guān)系

16、： (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(huì)對(duì)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建模軟件（如CATIA或者Unigraphics）中進(jìn)行3維實(shí)體模型

17、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?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78.715l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

18、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的蝙蝠翼分布。圖7：單顆透鏡在12米遠(yuǎn)處的照度分布（點(diǎn)擊放大）圖8：單顆透鏡光強(qiáng)的遠(yuǎn)場角度分布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LED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

19、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(duì)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