LED路灯透镜的二次光学设计介绍[1]

　　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(Lambertiandistribution)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GoldenDragonLED,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。

　　图1　采用弧形排列的LED路灯实物及设计方案

　　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25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。

　　图2　发散角为60°的LED全反射透镜的设计

　　图3　单个LED模组的光度分析

　　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。

　　图4　边缘光线的扩展度守恒