大功率集成封装LED路灯透镜的光学设计[2]

　　为了让 LED 所发出的光尽可能的落入所要求的长方形区域, 且仍有比较高的利用率。由图 3 可以得知, 透镜曲线与式( 6)中的参数有关。本文研究y 方向的透镜母线设计, 在 y 方向, 使道路矩形外部分光线折射到所要求的矩形区域内, 而在 x 方向,使光线自然投射。

　　根据式( 6)可以提取的参数有 : r, θ, s, h, 其中照射高度 h= 10m, 由于透镜不能过大, r 值不能过大,选取初值r = 35mm, LED的出光角度为 60°, 即θ∈(30, 90) , 取θ= 50°, 要求照射的路宽为 10m 左右,即 s值在5m左右, 选取s= 6m进行设计, 根据式(6)计算出该点透镜曲线的斜率, 解得= 122. 7°, 通过MPN 三点绘制曲线, 构建透镜, 导入光学软件。

　　LED 光源在 10m 高的照度分布模拟如图 6 所示。选取 y 方向边缘照度 2. 5lx 附近的区域, 该光学系统照射宽度约为 14. 2m, y 方向边缘照度最大值为 2. 65lx, 照射面积为一椭圆形, 已近似为一长矩形, 基本达到了理论设计的期望目标, 下面利用这组参数, 在参数附近取值, 进行正交优化分析。

　　r: 在 35mm 附近均匀的取 3 个值, 分别为 30,35, 40mm;

　　θ: 在 50°附近均匀的取 3 个值, 分别为 45°, 50°,55°;

　　s: 在 6m 附近均匀的取 3 个值, 分别为 5, 6,7m。

　　建立正交表 L9(3) , 取前 3列, 得到相应的正交表及试验结果, 见表 1。

　　表1 透镜曲线参数试验结果分析表

　　在表 1 中考察了 3 因素 3 水平对 LED 光源照射到路面的状况, 主要参考值为经透镜后路面形成的在边缘要求照度范围以内的光斑宽度, 其次参考路面照明形状、平均照度和最大照度等各个因素。参照表 1可以看出参数 r 对光斑宽度的影响最为重要, 是主要因素, 而 θ和 s 影响较小, 为次要因素。由结果分析表得到各因子的优化组合为 r = 30mm, θ= 55°, s = 5m, 构造曲线, 透镜造型如图7所示, y 方向的透镜曲线如图 8 所示。把三维透镜模型导入光学软件Light Tools 中, 得到照度分布模拟如图 9 所示。

　　通过对图 9 进行分析可以看出 x 方向投射变长, y 方向远离中心处的光线颜色接近红色, 表明照度较低, 右照度数值在 2lx 以下。在 x 轴方向, 边缘照度为 3. 66lx, y 轴方向边缘照度为 2. 74lx, 在此区域内, 照射长度为 40m, 宽度为 10m, 照射形状为一长方形, 达到了设计前的要求。把光斑照度值导出( 取网格划分为 11 ×11, 保留 2 位有效数字) ,

　　见表 2, 可知最大照度达到了 23. 23lx, 在此区域平均照度达到了 8. 11lx, 平均照度值基本达到了城市道路标准中关于水泥混凝土次干道路的照明要求,均匀度为 0. 31。通过该光学透镜, 把原来的由 LED光源形成的圆形光斑变成了矩形光斑, 最大照度、平均照度都有了很大的提高, 达到了国家道路次干道路的照度标准。

　　　　表 2 新透镜路面光斑照度值(10m)

　　3 结论

　　本文提出了集成大功率 LED 路灯配光的自由曲面透镜设计方法。已知光源发光特性以及所需路面的照明要求, 给出了一组可计算透镜母线上的点的数学方程, 通过有限个点构建透镜曲线, 避免了点拟合失真, 降低了设计难度。利用优化方法得到了所要求的长方形照明光斑透镜, 且均匀性好, 平均照度较高, 可满足国家路灯有关标准。本文参数取值比较简单, 得到一个比较好的结果就停止了优化设计, 由图可知, 光斑宽度方向仍有少部分光线溢出,

　　降低了能量利用率, 后续设计应对此进行改进。若光斑对长度方向也有要求, 根据该方法也可以设计。总之, 此方法实践设计较简单, 工程意义大, 在路灯透镜的矩形光斑改进设计中效果明显。

编辑：Cedar