LED路灯透镜的二次光学设计介绍

By | 2020年7月24日

  1 布景


  LED(发光二极管)技巧的倒退开拓了照明技巧反动的新时代。因为LED具备体积小、寿命长、电光效率高、环保节能等诸多优点。使患上LED路灯照明技巧正在近年失去了迅速倒退。今朝,市道市情上单颗LED光源的实际曾经能够做到了每一瓦100流明,采纳传统250瓦钠灯作光源的路灯,用LED光源替代之后,大略只要要60多颗LED就能够孕育发生相反的亮度,从而极年夜地节流了动力的耗费。


  因为年夜局部LED光源的辐射角散布为110度至120度的郎伯(Lambertiandistribution)散布,假如不通过配光设计,照正在高空上的光型将会为面积较年夜的圆型的光斑,约50%的光散落到马路以外不被行使起来,并且会对远处的车辆或行人孕育发生眩光,与路面照明的要求没有符。《都会路线照明设计规范》要求路灯的配光为长方形的光斑,将简直一切的光都散布正在路面上[1]。关于骨干道还需求采纳截光型或半截光型的配光设计,一方面能够进步光的行使效率,另外一方面还能够防止孕育发生眩光。


  2 LED路灯的配光设计


  对于LED路灯的配光设计有不少种,最多见的有如下两种:


  第1种是弧形陈列的LED路灯。单个LED模组采纳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笼罩路线的宽度;再将LED模组陈列正在一个弧面上,经过调整弧面的曲率正在路线标的目的孕育发生一个长方形的光型散布。图1为弧形陈列的一个LED路灯的设计,路灯采纳了60颗高功率OSRAM朗伯散布的GoldenDragonLED,单颗LED的输入光通量为每一瓦80流明。透镜设计采纳轴对称的透射———全反射组合构造,如图2所示。透镜两头局部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°内的光平均散布正在±30°范畴以内。残余64°~90°局部的光透过透镜外部正面的柱面之后,由外边歪斜的曲面进行全反射,这局部的反射光再通过上外表的锥面透射后也构成±30°范畴内的散布。透镜的透射局部以及全反射局部的光束经叠加后,最初构成一个±30°范畴内比拟平均的光束散布(平均度年夜于60°)。透镜的光线追迹以及光强的远场角度散布见图3,光强的远场角度散布为胡蝶形。



  图1 采纳弧形陈列的LED路灯什物及设计计划


  LED路灯的形成办法为将LED透镜模组陈列正在一个弧面上,经过调整弧面的曲率,使灯头正在弧面标的目的构成±60°阁下的配光,于是灯头装置正在10米高的时分能够正在路面上孕育发生约长度约35米,笼罩25个车道宽度约为10米的方形的光型。


  这类LED路灯的二次光学元件(透镜或反光杯)的设计以及加工较为简略,引入全反射透镜能够最年夜可能地进步光的行使效率,实践较量争论的效率超越98%。但因为透镜资料自身的透射率约为92%,实际注塑进去的透镜效率约90%。透镜需求孕育发生肯定的角度散布以便正在要求的高度地位笼罩居处需的路线宽度,而路线标的目的的配光则经过LED陈列的弧面来调整。弧形陈列的LED路灯比拟雅观,没有利要素是弧形的陈列使高功率LED的散热板设计以及灯头的构造设计较为费事。


  第2种是立体陈列的LED路灯。LED路灯的设计采纳了XY标的目的非对称的长方形配光的自在曲面光学元件(透镜或反光杯),长方形的配光间接正在单个LED光学元件上实现,全体路灯只要将具备长方形配光的LED模组简略的陈列正在一个平板上便可,这类LED路灯正在机器构造、散热及电源管制方面比拟简略,没有等同级公路以及没有同灯杆高度的路线照明只要要添加没有同数目的LED模组便可。因为配光为长方形非对称的散布,简略轴对称的全反射透镜无奈完成,需求采纳非对称自在曲面的透镜,透镜的设计以及加工工艺比拟复杂。这里将重点引见这类自在曲面透镜的设计。



  图2 发散角为60°的LED全反射透镜的设计



  图3 单个LED模组的光度剖析


  因为普通的光学软件(如Zemax,CodeV等)针对自在曲面的优化设计办法不敷成熟,设计一个非对称的自在曲面需求花不少的工夫用手工一直重复的调整以及设置操作参数,一个比拟复杂的自在曲面往往需求多达一个月乃至几个月的工夫,有时所优化进去的曲面光学效率还不敷理想。这里采纳了边缘光线扩大度(Etendue)守恒的原理创立了一套自在曲面管制网格的节点矢量的准确较量争论办法,能够正在较短期内(普通为几个小时乃至更短)优化出具备最优效率及准确配光的自在曲面光学元件。



  图4 边缘光线的扩大度守恒

 

  边缘光线的扩大度守恒原理如图4所示,它连系了边缘光线原理及光源的扩大度守恒(EtendueConservation)。光源通过光学零碎抵达指标是个数学映照的关系。经过自在曲面的边缘的那局部光线,通过映照后,也对应于指标的边缘,自在曲面两头延续的局部,通过映照后,也正在指标两头构成延续的散布。假如光学零碎不损耗,那光学零碎的光源及指标的扩大度是守恒的。扩大度为光源或指标的面积与光线发散角所构成的平面角的乘积。依据这一原理,可将指标及自在曲面宰割成等量的网格(如图4中的V&U网格及Y&X网格),指标的网格节点与自在曲面的网格节点构成逐个对应,再依据指标节点的地位及法矢量,就能够对应地准确较量争论出图5所示的自在曲面的管制网格的节点法矢量,从而天生所需求的自在曲面。边缘光线的扩大度守恒原理能够由如下式子来示意:




  


  图5 自在曲面上筋以及肋的节点法线矢量


  这类设计办法被用来设计LED路灯的自在曲面透镜,路灯装置高度为12米,路灯距离40米,路面宽12米(3个车道),即路灯需求正在路面上孕育发生40米长、12米宽的方形光斑。依据这个要求,需求设计正在X标的目的孕育发生±60°内平均散布的配光,正在Y标的目的孕育发生±30°内平均散布的配光的方形光斑的自在曲面透镜。图6为用边缘光线扩大度守恒办法设计的自在曲面透镜。



  图6 透镜形态及配光原理


  透镜的管制网格的节点法线,跟据边缘光线扩大度守恒原理,和斯涅尔(Snell)折射定律,有如下公式(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。



  图7 透镜管制网格的法线及入射出射光线


  



  将透镜曲面以及指标光斑分红等量的网格,依据入射光线及出射光线的Snell方程,将网格的节点矢量逐个对应,整个曲面的管制网格由较量争论机迭代法算出,最初将管制网格蒙上蒙皮构成曲面再填充后构成透镜实体。全体路灯的光效模仿由光线追迹软件LightTools进行光线追迹,如图8所示。模仿后果如图9至图11所示,当路灯高度为12米的时分,路灯正在40米×12米的路面上能够孕育发生十分平均的配光。路灯的远场角度散布为蝙蝠翼形,辐射强度X标的目的的峰值光强的一半约为±60°,辐射强度Y标的目的的峰值光强的一半约为±30°。路灯的光型如图11所示,什物照片如图12所示,路灯光形测试后果经过国度都会路线照明设计规范CJJ45—2006。



  图8 自在曲面透镜LED路灯的光线追迹



  图9 12米远处的照度散布



  图10 LED路灯光强的远场角度散布



  图11 LED路灯光型图



  图12 采纳自在曲面透镜的LED路灯什物照片


  3 论断


  本文次要引见了两种LED路灯的配光设计并重点引见了一种非对称配光的自在曲面透镜的光学设计。第一种LED路灯采纳了轴对称的全反射透镜或反光杯,LED透镜模组陈列于一个弧面上以孕育发生长方形的配光。全反射透镜的引入能够极年夜地进步光的行使效率,然而弧形的LED模组的陈列使高功率LED的散热板设计以及机器构造较为费事。第二种LED路灯采纳了非对称的自在曲面透镜,能够将长方形的配光间接由单个LED光学元件实现。全体灯头只要将具备长方形配光的LED模组简略的陈列正在一个平板上便可,这类LED路灯正在机器构造、散热、及电源管制方面比拟简略,没有等同级公路以及没有同灯杆高度的路线照明只要要添加没有同数目的LED模组便可。自在曲面的设计采纳了边缘光线扩大度(Etendue)守恒的原理,创立了一套自在曲面管制网格的节点矢量的准确较量争论办法。使透镜正在X标的目的孕育发生±60°内平均散布的配光,正在Y标的目的孕育发生±30°内平均散布的配光的方形光斑。


 


编纂:Cedar