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一种用于LED路灯的全反射式二次光学透镜

时间:2018-08-06编辑: admin 点击率:

  一种用于LED路灯的全反射式二次光学透镜

  led固态半导体照明技能被认为是21世纪的战略节能技能。我国、欧洲和北美的许多国家和城市都现已进行了LED路途照明技能的开发和大力推广,比较于金属卤素灯(MH)和高压钠灯(HPS),LED路灯具有更长的寿数(大于5倍);除此之外,LED路灯还具有更好的可控性和光效,能够节能50%之多。LED路灯的另一个绿色动力的特征是光源自身不含有害物质汞。光学方面,LED芯片的小光源特性能够比较简单完结准确的配光和二次光学的优化规划,准确操控光线的方向,把光充沛的分配到所需求照明的马路上,避免光污染和眩光。

  二次光学规划是决议LED路灯的配光曲线、输出光效、均匀度、以及眩光指数的一项重要技能。现有市场上大部分的高功率白光LED的光度散布是郎伯散布,光斑是圆形的,峰值光强一半方位处的光束角的全宽度约为120°。LED路灯假如没有经过二次光学的配光规划,那么照在马路上的光斑会是一个“圆饼”,如图1(a)所示,大约1半左右的光斑会散落到马路之外而糟蹋掉,而且光斑的中心会比较亮,到周围会逐步变暗。这种灯装在马路上之后,路灯之间会构成很明显的明暗相间的光斑散布,对司机构成视觉疲惫,引发事端。这种情况下的LED路灯就不能叫做“节能”和“绿色照明”了。国家城市路途照明规划标准要求LED路灯的光斑如图1(b)所示,光斑为长方形,正好能够掩盖马路,而且有很好的均匀性。LED的二次光学技能,不同于其他的学科,是一门包括非成像光学和3维曲面建模的交叉学科,二次光学的规划能够有用处理LED路灯的出光功率、均匀性、配光视点、眩光和安全性等问题,供给符合于国家标准所要求的配光,真实完结环保和绿色的照明。别的LED路灯有较好的显色指数(CRI),依据需求能够调理不同的色温使其能够满意白日、晚上、晴天和雨天等不同的环境。

  


图1(a)没有经过二次光学规划的LED路灯的光斑,(b)经过二次光学配光规划的LED路灯的光斑
Fig.1(a)Lightpatternwithoutopticaldesign,(b)Lightpatternwithfineopticaldesign

  

全反射式二次光学透镜能够搜集从LED芯片宣布的悉数180°的光,并从头分配到指定的区域,是个很好的处理方案。自在曲面的配光能够使LED路灯光强的远场视点散布呈蝙蝠翼散布,使光斑生长方形,而且光斑的中心和边际比较均匀,使用边际光线原理,透镜还能够完结截光规划,消除眩光。以下为一种全反射式二次光学透镜的规划办法。

  

2. 全反射式二次光学透镜的规划

  


图 2 全反射式二次光学透镜的3D模型
Fig. 2 Lens 3D modELing

  

图 2为一种全反射式二次光学透镜的3维模型。透镜由4部分组成,中心内凹的非球面柱面镜部分、旁边面的全反射棱镜部分、两头的全反射棱镜部分、以及上外表“W”型的自在曲面组成。透镜将郎伯型LED的光配成沿X方向120°(沿着路途方向)以及Y方向60°(垂直于路途的方向)的光度散布。透镜的规划遵从“边际光线原理” [1],即在X方向,输出光线的边际光线的与光轴的夹角为±60°,其他一切的输出光线都散布在这一视点之内,在Y方向,输出光线的边际光线的视点为±30°。

  

透镜的规划原理如图 3所示。其间Y方向的配光原理如左图,从LED宣布的中心部分的光,由内凹的柱面镜进行集聚,集聚后一切输出光线的反向延长线交于一虚焦点“F”, “F”与柱面镜边际组成的这部分光线,再经过上外表之后,散布在视点±30°之内。剩下从LED宣布的往旁边面部分的光,则由旁边面的全反射棱镜进行配光。经入射面入射到外侧全反射面的光线,从下到上,其反射角是突变的,再经过上面的输出面折射之后,这部分光也散布均匀在±30°之内。沿X方向的配光原理如图 3的右图,内凹的柱面镜掩盖了从LED宣布的中心部分的±76°之内的光线,上外表“W”形状的曲面将这部分的光线均匀分配在发散角为±60°之内,并构成一个蝙蝠翼的配光曲线散布。透镜两头各有一全反射棱镜,用来起截光的效果,搜集剩下从LED宣布的±76°~90°的光(这部分光假如不经过配光,直接射出后会构成眩光),经过透镜两头外侧的全反射面反射和上外表“W”曲面的折射之后,从头散布在光束角±30°之内。两部分的光叠加一同后构成一光束角为±60°的光度散布,其光强的远场视点散布(配光曲线)为蝙蝠翼形。

  


图 3 Y和X剖面的规划原理
Fig. 3 Design principles on Y and X sections

  

在透镜的Y方向,内凹的非球面柱面镜的规划和外侧全反射面概括线的规划如图 4的(a)和(b)所示。图 4(a)为Zemax中的光路图,从LED射出的±40°以内这部分光线,经过柱面镜折射之后,一切光线的反向延长线交于虚焦点“F”,经过点“F”和柱面镜的边际所构成的边际光线,其与光轴的夹角为±19.6°,经过上外表折射后,构成±30°的出射光线。图 4(b)为用来核算外侧全反射概括线上各点坐标值的数学模型。其间q为LED出射光线OP与光轴OO¢的夹角;Q(x, y)为外侧全反射概括线上一点Q的坐标值,其反射线QR与光轴的夹角为d;a为全反射棱镜入射面的拔摸角,以利于中心柱面镜模芯的拔出,这儿设置为2°。

  


(a)

(b)
图 4 (a) 内凹柱面镜Y方向剖面在Zemax 中的光路图,(b)全反射棱镜部分Y方向剖面的数学建模
Fig. 4 (a) Optical path of the recessed aspheric cylinder in Zemax software, (b) Mathematic modeling of the outside TIR surface

  

当q角从90° 改变到40°时,反射角d(即反射光线QR和竖直线QT之间的夹角)从0°改变到19.6°。从点Q(x, y)的视点联系,能够得出以下的式子:
(1)

  

以及:
(2)

  

从公式(1)及(2),可得出以下的式子:
(3)

  

其间,b为曲线BD在点Q(x,y)处的切线角,g为切线QZ与竖线QT的夹角,PQ为P点方位的折射光线,q¢为PQ与水平线之间的夹角。曲线BD的导数和切线角b的正切函数之间有如下的联系:
(4)

  

其间,dy和dx为曲线BD在Y和X方向的微元。

  

依据在P点方位的斯涅尔规律[3][4],有如下联系:

因而:(5)

  

当q 角从90° 改变到40°时,d 从0°突变到19.6°,假定AB的初始值为1mm,联合公式(1)、(3)、(4)、和(5),Q(x, y)点的坐标值能够经过数学模型的积分迭代法顺次算出。

  


图 5 X剖面,上外表配光规划的数学模型
Fig. 5 Mathematic modeling along the longitude cross section

  

针对上外表在X方向上的配光,其数学模型如图 5所示。依据柱面镜底部AB概括线上P点方位的斯涅尔规律,有
(6)

  

再依据Q (x, y)点方位的斯涅尔规律,有如下联系式:
(7)

  

式中,a为竖直线QV与出射光线QR的夹角,b为法线QN与竖直线QV之间的夹角,q为LED的出射角,q¢为P点方位的折射角,n为透镜资料的折射率。为了配成蝙蝠翼状的光强的远场视点散布,当LED的出射角q从0°改变到76°时,输出光线满意以下的联系:
, if q £60°(8)

  

以及 , if 60

  

再依据以下曲线CF的微分和切线QS的正切角函数之间的联系:
(10)

  

联合公式(6)至(10),上外表的马鞍形曲线CF的数值坐标能够用积分迭代法逐个核算出来。

  

在X方向剩下从LED射出的视点q为76° 至90°的这部分光线,假如不经过配光直接射出,则会对远处的车辆发生眩光,这部分的光需求进行截光规划,所谓截光规划,并不是把这部分的光遮挡,而是将这部分的光从头分配到所需求的当地。这儿选用透镜两头的全反射面EF将这部分光进行搜集并从头分配,核算办法同上述图 4的算法相同,从头散布后的光束角为±30°。

  

3. 全反射式二次光学透镜的核算机模仿

  

透镜一切的透射面和反射面的概括线核算完结之后,数据点能够输入到3D建模软件(如CATIA或许Unigraphics)中进行3维实体模型的树立。将二次光学透镜实体连同LED的实体模型输入到LightTools[5]中进行光线追迹,如图 6所示。LED芯片的发光面赋予1′1mm的郎伯型的发光特性,输出光通量设置为80流明/瓦,单颗为1瓦,透镜的短边方向为垂直于马路的方向(Y方向),透镜的长边的方向为沿着马路的方向(X方向)。

  


图 6 全反射式二次光学透镜的光线追迹
Fig. 6 Ray tracing of the LED module with freeform TIR lens, side view (left) and top view (right)

  

图 7为单颗透镜在12米远处的照度散布,光斑最大照度值为0.167 勒克斯,在36米′14米规模之内的其均匀度超越了50%。屏幕一共搜集到的光通量为78.715 l流明,换算成透镜的出光功率,为98.39375%,考虑到透镜资料自身的透过率,假定透镜资料自身的透过率为92%,实践注塑出来的透镜产品的功率将超越90%。单颗透镜光强的远场视点散布(配光曲线)如图 8所示,图中实线为Y方向的远场视点散布,其峰值光强一半方位处的光束角宽度约为±30°;虚线为X方向的远场视点散布,其峰值光强一半方位处的光束角宽度约为±60°。透镜在X方向的配光曲线为很好的蝙蝠翼散布。

  


图 7 单颗透镜在12米远处的照度散布
Fig. 7 Illuminance distribution of the single LED module at 12 meter distance

  

  


图 8 单颗透镜光强的远场视点散布
Fig. 8 Batwing light intensity far field angle distribution of the single LED module

  

4. LED路灯的整灯的核算机模仿

  

因为一般的路途照明要求路面照度的均匀值超越20勒克斯,选用单颗的高功率LED来完结路途的照明,其照度是远远不够的。一盏LED路灯往往需求由很多颗LED组成,才干到达所需的照度。依据不同路面、灯杆凹凸、以及灯距的要求,能够别离选用不同数量的高功率LED,LED路灯往往有30瓦、60瓦、90瓦、120瓦、160瓦等不同的标准。因为单颗二次光学透镜现已完结了长方形光斑的配光规划,整个路灯只需求将这些LED透镜依照相同的方向摆放起来装配在一个平的散热板上即可,透镜摆放的距离和摆放形状对配光没有影响。图 9为LED路灯整灯的建模及在LightTools中的光线追迹。这儿一共摆放了160颗、单颗1W、每瓦80流明的LED。

  


图 9整灯的建模及光线追迹
Fig. 9 3D Modeling of the LED streetlight and ray tracing

  

假定接纳屏放置于12米远,因为一切的透镜都是依照一个方向摆放的,整灯的光斑形状和光强的远场视点散布与单颗透镜的完全相同,仅有不同的是照度值和配光曲线的发光强度值依照LED的数量乘了一个倍数,如图 10和图 11所示。在36米长′14米宽的规模,均匀照度超越20勒克斯,照度均匀度超越了50%,光斑最强的照度值为26.7 勒克斯。整灯的光强的远场视点散布为蝙蝠翼散布,图中实线为Y方向的远场视点散布,其峰值光强一半方位处的光束角宽度约为±30°;虚线为X方向的远场视点散布,其峰值光强一半方位处的光束角宽度约为±60°。在X方向,配光曲线中心的发光强度值约为4,000 Cd (坎德拉),±60°的方位约为8,000 Cd。光斑宽度超越14米,大约能够掩盖4车道。

  


图 10整灯在12米远处的照度散布
Fig. 10 LED streetlight illuminance distribution at 12 meter distance

  


图 11 整灯光强的远场视点散布
Fig. 11 LED streetlight light intensity far field angle distribution

  

5. 定论:

  

因为大部分出厂的高功率白光LED为郎伯型的光度散布,使用XY方向非轴对称的自在曲面二次光学的配光规划能够有用处理路灯的光型、出光功率、均匀性、配光视点、眩光和安全性等问题,供给符合于国家标准所要求的配光,真实完结环保和绿色的照明。全反射二次光学透镜的选用能够完结很高的配光功率,得到超越90%的输出功率。全反射透镜上外表的“W”型自在曲面,能够将路途方向的配光曲线规划成蝙蝠翼形,完结很好的均匀度。透镜底部用来聚光的非球面柱面镜由Zemax完结规划,外侧的全反射面和上外表的自在曲面则经过数学模型准确核算而成。本规划结合了光学规划、数学建模、以及3维曲面造型,以及边际光线理论。是LED非成像二次光学的一个典型的规划办法。

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