LED 路灯透镜的二次光学设计介绍

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。良好的道路照明要求LED 路灯的配光为长方形的光型, 路灯发出的所有光刚刚可以覆盖住马路, 而马路之外的光污染几乎为零。非对称自由曲面二次光学元件的采用可以使LED 路灯的长方形配光直接在单个LED 模组上实现。整体路灯只需要将这些LED 模组阵列按照相同方向排列即可, 从而可以简化路灯机构、散热及控制电源的设计。本文介绍了LED 路灯的二次光学设计, 及一种用于LED 路灯的自由曲面二次光学透镜的设计方法。

关键词: LED 路灯; 自由曲面; 二次光学元件; 配光; 道路照明; 散热

1 　背景LED (发光二极管) 技术的发展开辟了照明技术革命的新时代。由于LED 具有体积小、寿命长、电光效率高、环保节能等诸多优点。使得LED 路灯照明技术在最近几年得到了迅速发展。目前, 市面上单颗LED 光源的实际已经可以做到了每瓦100 流明, 采用传统250 瓦钠灯作光源的路灯, 用LED 光源代替之后, 大概只需要60 多颗LED 就可以产生相同的亮度, 从而极大地节省了能源的消耗。由于大部分LED 光源的辐射角分布为110 度至120 度的郎伯(Lambertian distribution) 分布, 如果没有经过配光设计, 照在地面上的光型将会为面积较大的圆型的光斑, 约50 %的光散落到马路之外没有被利用起来, 而且会对远处的车辆或行人产生眩光,与路面照明的要求不符。《城市道路照明设计标准》要求路灯的配光为长方形的光斑, 将几乎所有的光都分布在路面上[1 ] 。对于主干道还需要采用截光型或半截光型的配光设计, 一方面可以提高光的利用效率, 另一方面还可以避免产生眩光。

2 　LED 路灯的配光设计关于LED 路灯的配光设计有很多种, 最常见的有以下两种:第1 种是弧形排列的LED 路灯。单个LED 模组采用轴对称的全反射透镜或反光杯进行配光, 透镜配光的辐射角宽度足以覆盖道路的宽度; 再将LED模组排列在一个弧面上, 通过调整弧面的曲率在道路方向产生一个长方形的光型分布。图1 为弧形排列的一个LED 路灯的设计, 路灯采用了60 颗高功率OSRAM朗伯分布的Golden Dragon LED , 单颗LED的输出光通量为每瓦80 流明。透镜设计采用轴对称的透射———全反射组合结构, 如图2 所示。透镜中间部分为一平凸非球面透镜。平凸非球面透镜将从LED 出射的与光轴夹角±64°内的光均匀分布在±30°范围之内。剩余64°～90°部分的光透过透镜内部侧面的柱面之后, 由外边倾斜的曲面进行全反射, 这部分的反射光再经过上表面的锥面透射后也形成±30°范围内的分布。透镜的透射部分和全反射部分的光束经叠加后, 最后形成一个±30°范围内比较均匀的光束分布(均匀度大于60°) 。透镜的光线追迹和光强的远场角度分布见图3 , 光强的远场角度分布为蝴蝶形。 LED 路灯的构成方法为将LED 透镜模组排列在一个弧面上, 通过调整弧面的曲率, 使灯头在弧面方向形成±60°左右的配光, 于是灯头安装在10 米高的时候可以在路面上产生约长度约35 米, 覆盖215 个车道宽度约为10 米的方形的光型。这种LED 路灯的二次光学元件(透镜或反光杯) 的设计和加工较为简单, 引入全反射透镜可以最大可能地提高光的利用效率, 理论计算的效率超过98 %。但由于透镜材料本身的透射率约为92 % ,实际注塑出来的透镜效率约90 %。透镜需要产生一定的角度分布以便在要求的高度位置覆盖住所需的道路宽度, 而道路方向的配光则通过LED 排列的弧面来调整。弧形排列的LED 路灯比较美观, 不利因素是弧形的排列使高功率LED 的散热板设计和灯头的结构设计较为麻烦。第2 种是平面排列的LED 路灯。LED 路灯的设计采用了XY方向非对称的长方形配光的自由曲面光学元件(透镜或反光杯) , 长方形的配光直接在单个LED 光学元件上完成, 整体路灯只需将具有长方形配光的LED 模组简单的排列在一个平板上即可,这种LED 路灯在机械结构、散热及电源控制方面比较简单, 不同等级公路和不同灯杆高度的道路照明只需要增加不同数量的LED 模组即可。由于配光为长方形非对称的分布, 简单轴对称的全反射透镜无法实现, 需要采用非对称自由曲面的透镜, 透镜的设计和加工工艺比较复杂。这里将重点介绍这种自由曲面透镜的设计。 由于一般的光学软件(如Zemax , CodeV 等) 针对自由曲面的优化设计方法不够成熟, 设计一个非对称的自由曲面需要花很多的时间用手工不断反复的调整和设置操作参数, 一个比较复杂的自由曲面往往需要多达一个月甚至几个月的时间, 有时所优化出来的曲面, 光学效率还不够理想。这里采用了边缘光线扩展度( Etendue) 守恒的原理创建了一套自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法, 可以在较短时间内(一般为几个小时甚至更短) 优化出具有最优效率及精确配光的自由曲面光学元件。边缘光线的扩展度守恒原理如图4 所示, 它结合了边缘光线原理[2 ] 及光源的扩展度守恒( Etendue Conservation)

[3 ] 。光源经过光学系统到达目标是个数学映射的关系。通过自由曲面的边缘的那部分光线,经过映射后, 也对应于目标的边缘, 自由曲面中间连续的部分, 经过映射后, 也在目标中间形成连续的分布。如果光学系统没有损耗, 那光学系统的光源及目标的扩展度是守恒的。扩展度为光源或目标第19 卷第4 期蒋金波等: LED 路灯透镜的二次光学设计介绍61的面积与光线发散角所形成的立体角的乘积。根据这一原理, 可将目标及自由曲面分割成等量的网格(如图4 中的V&U 网格及Y&X 网格) , 目标的网格节点与自由曲面的网格节点形成一一对应, 再根据目标节点的位置及法矢量, 就可以对应地精确计算出图5 所示的自由曲面的控制网格的节点法矢量,从而生成所需要的自由曲面。边缘光线的扩展度守恒原理可以由以下式子来表示:这种设计方法被用来设计LED 路灯的自由曲面透镜, 路灯安装高度为12 米, 路灯间隔40 米, 路面宽12 米(3 个车道) , 即路灯需要在路面上产生40 米长、12 米宽的方形光斑。根据这个要求, 需要设计在X方向产生±60°内均匀分布的配光, 在Y方向产生±30°内均匀分布的配光的方形光斑的自由曲面透镜。图6 为用边缘光线扩展度守恒方法设计的自由曲面透镜。透镜的控制网格的节点法线, 跟据边缘光线扩展度守恒原理, 以及斯涅尔(Snell) 折射定律, 有以下公式(2) 的关系, 式中N 为法线矢量, A 为入射光线矢量, A′为出射光线矢量。

 N = Nx i + Ny j + Nz k ;A = Ax i + Ay j + Az k ;A′= Bx i + By j + Bz k ;

将透镜曲面和目标光斑分成等量的网格, 根据入射光线及出射光线的Snell 方程, 将网格的节点矢量一一对应, 整个曲面的控制网格由计算机迭代法算出, 最后将控制网格蒙上蒙皮形成曲面再填充后形成透镜实体。整体路灯的光效模拟由光线追迹软件LightTools 进行光线追迹, 如图8 所示。模拟结果如图9 至图11 所示, 当路灯高度为12 米的时候,路灯在40 米×12 米的路面上可以产生非常均匀的配光。路灯的远场角度分布为蝙蝠翼形, 辐射强度X方向的峰值光强的一半约为±60°, 辐射强度Y方向的峰值光强的一半约为±30°。路灯的光型如图11所示, 实物照片如图12 所示, 路灯光形测试结果通过国家城市道路照明设计标准CJJ 45 —2006。图12  采用自由曲面透镜的LED路灯实物照片

3 　结论本文主要介绍了两种LED 路灯的配光设计并重点介绍了一种非对称配光的自由曲面透镜的光学设计。第一种LED 路灯采用了轴对称的全反射透镜或反光杯, LED 透镜模组排列于一个弧面上以产生长方形的配光。全反射透镜的引入可以极大地提高光的利用效率, 但是弧形的LED 模组的排列使高功率LED 的散热板设计和机械结构较为麻烦。第二种LED 路灯采用了非对称的自由曲面透镜, 可以将长方形的配光直接由单个LED 光学元件完成。整体灯头只需将具有长方形配光的LED 模组简单的排列在一个平板上即可, 这种LED 路灯在机械结、散热、及电源控制方面比较简单, 不同等级公路和不同灯杆高度的道路照明只需要增加不同数量的LED模组即可。自由曲面的设计采用了边缘光线扩展度(Etendue) 守恒的原理, 创建了一套自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法。使透镜在X 方向产生±60°内均匀分布的配光, 在Y方向产生±30°内均匀分布的配光的方形光斑。