一种LED路灯透镜的二次光学设计与研究

摘要:LED 的二次光学元件设计对LED 路灯的配光及光学输出效率至关重要。文章针对大功率LED在路灯上的应用,基于选定的LED进行了一种用于LED路灯的自由曲面二次光学透镜的设计,并采用光学软件进行仿真。结果表明,采用非对称自由曲面二次光学元件可以实现LED路灯的矩形配光,采用这种LED模组组成的路灯便于结构设计、电源安装, 不同功率的LED路灯只需要增加不同数量的LED模组即可。此种设计可以在很大程度上提高LED路灯的效率,提高路面照明的均匀度。

关键词:LED路灯;自由曲面;二次光学设计;配光

中图分类号:TN312+.8文献标识码:B

Study on the Secondary Optical Design of Lens for LED Street Light

HUANG Zhi-wei, GUO Zhen-ning, LIN Jie-ben, HUANG Ming-bo, DONG Jing-jing

(College of Information Science and Technology, Huaqiao University, Quanzhou Fujian 362021, China)

Abstract: The secondary optics design is a critical issue for the output efficiency and light distribution pattern of the LED street light. Aiming at the application of large power LED in street light, based on LED has been developed,the calculation methodology of a freeform optics for the street light is put forward and simulatedwith the optical software. The result shows that the single LED module adopt the unsymmetrical freeform optics can make a rectangular light distribution. The mechanism and the power control electronics of the LED street light becomes very simple, different power LED street light only need to increase the different number of LED modules. And this design promotes the efficiency of LED street light in a large scale and greatly improves the uniformity of illumination on the street.

Keywords: LED street light; freeform; secondary optics design; light distribution

引言

随着半导体芯片与封装技术的发展,LED 的发光效率得到迅速的提升。LED具有体积小、寿命长、电光效率高、环保节能等诸多优点,被广泛应用于LED 路灯照明并成为研究热点[1]。2009年,国家科技部推进“十城万盏”计划,带动了全国各地掀起LED路灯产品设计与研究的热潮。

目前,用于LED路灯的瓦级白光LED光源的光强分布均为朗伯型(lambertian distribution) 分布,若未经过一定的配光设计,则LED路灯照射在道路上的光型将呈圆形的光斑[2],而圆形光斑难以实现较好的照度均匀度,并造成靠近LED路灯杆的下方比较亮,两根灯杆之间容易出现暗区。此外,LED路灯照射的光约有50%散落在道路之外没有被充分利用起来,同时会对远处的车辆或行人产生眩光,与之使道路照明的要求不符。因此,本文提出了一种LED路灯透镜,研究了二次光学设计的要素和设计方法,并通过结构设计、光学追迹等解决了LED路灯的配光设计方案,具有良好的实际应用前景。

1LED 路灯的配光设计方法

目前,LED 路灯的配光设计方法有很多种,最常见的有以下两种:第一种方法是弧形排列的LED 路灯(如图1所示)。单个LED 模组采用轴对称的透镜或反光杯进行配光,再将LED模组排列在一个弧面上,通过调整弧面的曲率而在道路方向产生一个近似长方形的光型分布[3]。该设计方法的缺陷是:(1)造成LED路灯照射的光线浪费;(2)难以实现满意的照度均匀度,并未达到满足国家规定的《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2006);(3)限制了LED路灯的外形设计与美观。

第二种方法是平面排列的LED 路灯(如图2所示)。LED路灯的设计采用了横纵方向非对称的长方形配光的透镜,经过配光可直接在单个LED光学元件上实现矩形光斑。该方法的优点是:(1) LED路灯的制造只需将具有矩形配光的LED 模组排列在一块散热平板上;(2) LED 路灯在结构设计、散热及电源安装方面十分便捷;(3)不同功率的LED路灯只需增加或拆除相应的LED模组即可。

本文采用第二种配光方法,设计了一种新型的LED路灯透镜,通过平面排列的方式可实现高达0.735的照度均匀度。

2瓦级白光LED光源的选择

瓦级白光LED 光源的发光角度一般为90°～140°,为提高对LED光源的光提取效率,并方便横向小角度方向的二次光学设计[4],应选用聚光性能好的光源。结合当前大功率LED路灯对散热、寿命等要求,本文采用美国Cree公司XR-E系列的大功率白光LED光源,该光源发光角度为90°,散热好,性能稳定,其结构和光强分布图分别如图3和图4所示。

3新型LED路灯透镜的设计

目前,LED路灯的安装高度一般为6m、8m、10m、12m等,分别应用于不同的主干道和支干道。本文以10m杆为例,LED路灯安装高度为10m,灯杆间隔为30m,双向4车道的道路宽度为14m,则所设计的LED路灯必须在路面上产生长为30m、宽为14m的矩形光斑,并实现良好的照度均匀度。

为实现LED路灯照射在道路上的光斑近似矩形,并避免造成光损失与浪费,本文设计了一种非对称自由曲面的新型LED路灯透镜,如图5所示。该透镜的设计步骤为:通过光学基本原理建立偏微分方程组,采用Matlab软件对方程组求解,并对所得数值进行曲线拟合,再把求出的数学表达式导入结构设计软件里绘图[7~10]。

该透镜在纵向方向实现±60°内均匀分布的配光,在横向方向实现±30°内均匀分布的配光。已知Cree LED光源的角度为90°,则透镜的纵向方向弧度要起到散光的作用,横向起到聚光的作用[5,6] 。白光LED光源的出射光分别经过透镜的第一面和第二面自由曲面的折射之后,在特定路面上形成矩形分布的均匀照明。

4仿真结果及分析

在光学设计软件中对自由曲面透镜进行光学模拟,其透镜材料为PMMA,折射率为1.49。经过光线追迹与配光曲线分析,得到直角坐标系下的配光曲线如图6所示。

由图6表明,自由曲面透镜纵向方向的角度为116°,横向方向的角度为58°,该透镜出射的光在接收面上形成近似矩形的光斑,如图7所示。

采用150 颗瓦级白光LED光源组成一盏LED路灯。在灯杆高度为10m,两盏路灯相距为30m的条件下, 通过Dialux软件进行仿真,得到路面的照度分布如表1 所示。

由表1可知,采用本文设计的新型LED路灯透镜,可实现照度均匀度高达0.735,完全满足当前道路照明的照度要求(《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2006)中规定照度均匀度≥0.4,平均照度为20~30 Lux),可应用于LED路灯产品的配光设计。

5结论

本文研究并设计了一种非对称自由曲面的LED路灯透镜,实现道路照明纵向方向的角度为116°,横向方向的角度为58°,且照射光斑呈矩形分布。采用该透镜制造150瓦LED路灯,用于10m杆,灯杆间距为10m的双向4车道上,实现路面平均照度为23Lux,照度均匀度高达0.735,满足当前城市道路照明设计标准的要求。采用本文所设计的透镜制造平面配光的LED路灯具有发光效率高、安装便捷、设计灵活等优点,具有良好的实际应用前景。

参考文献

[1] 吴淑梅, 霍彦明, 徐梅等. LED光源在照明中的应用[J].现代显示, 2008, 7: 55-58.

[2] 高铁成, 艾艳锦, 杨广华等. LED路灯的二次光学设计[J].光机电信息, 2008, 10: 41-44.

[3] 蒋金波, 杜雪, 李荣彬. LED 路灯透镜的二次光学设计介绍[J]. 照明工程学报, 2008, 19: 59-65.

[4] 深圳市雷曼光电科技有限公司. LED封装结构的光学模拟与设计[J]. 现代显示, 2008, 3: 67-71.

[5] 王乐. LED应用于照明的计算和仿真[J]. 照明工程学报,2007, 18(1): 25-30.

[6] 勾志勇, 王江, 王楚等. 非球面光学设计技术综述[J].激光杂志, 2006, 27(3): 1-2.

[7] 吴仍茂, 屠大维, 黄志华等. LED照明系统的光照均匀性设计[J]. 光学技术, 2009, 35 (1): 74-76.

[8] 罗毅, 张贤鹏, 王霖等. 半导体照明中的非成像光学及其应用[J]. 中国激光, 2008, 35(7): 963-971.

[9] 丁毅, 郑臻荣, 顾培夫. 实现LED照明的自由曲面透镜设计[J]. 光子学报, 2009, 6(38): 1486-1491.

[10]熊德平, 何志平. 非球面光学系统的光路计算与分析[J].光学仪器, 2006, 26(4): 45-47.

作者简介:黄智炜(1984-),男,硕士研究生,主要从事半导体照明光学设计研究,E-mail:huangzw724 。