LED路燈的二次光學透鏡設計

陳 加 琦, 鄒 念 育, 張 云 翠, 賀 曉 陽, 李 德 勝

( 大連工業(yè)大學 光子學研究所, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

隨著“十城萬盞”工程的啟動和逐步推進,國家和社會對LED路燈的要求也從理論研究越來越走向實用化。1974年Schruben提出實現(xiàn)均勻圓形照明的自由曲面反光器[1]。2002年Harald Ries提出可投射出OEC字樣的自由曲面透鏡[2]。2002年,OEC公司的H.Ries和J.Muschaweck指出可以用數(shù)值求解偏微分方程的方法來構造自由曲面的面型[3]。他們用一個折射面將均勻強度的小光源發(fā)出的光在矩形均勻光斑范圍內形成OEC公司的公司名稱而且這三個字符的亮度是背景亮度的3倍。

香港理工大學工業(yè)及系統(tǒng)工程學系先進光學制造中心采用了邊緣光線擴展度(Etendue)守恒的原理創(chuàng)建了一套自由曲面控制網(wǎng)格的節(jié)點矢量的精確計算方法,設計出在道路橫向(X方向)產生±60°內均勻分布的配光,在縱向(Y方向)產生±30°內均勻分布的配光的方形光斑的自由曲面透鏡[4],從而滿足道路照明的配光要求。

針對不同的道路應用環(huán)境,LED路燈的配光需求也各不相同[5]。總體來說,限于光源的影響,未經(jīng)配光的LED的配光呈現(xiàn)郎伯型,直接在道路上形成的光斑為圓形,容易形成斑馬紋和造成眩光[6]。為了解決上述問題,需要對LED郎伯型的配光進行改進,也就是進行二次配光設計[7],將郎伯型的配光改變?yōu)轵鹨硇汀１疚尼槍Φ缆氛彰饕?在給定光源的情況下,設計了一種簡單有效的二次光學透鏡,可以實現(xiàn)較好的照明效果。

1 道路照明要求

根據(jù)相關標準,可以得知道路照明所要達到的最低目標,這可以作為選擇光源的參考依據(jù)和最終設計目標。

CJJ 45—2006機動車道道路照明要求[5]如表1所示。

表1 CJJ45—2006機動車道道路照明要求

本文針對次干路進行設計,所需要達到的目標如表1加粗內容所示,結合路燈的設計參數(shù)要求,例如路燈高度、間距、燈桿臂長、安裝傾角、安裝方式(單側、雙側、交叉等)、路寬、道路表面材料類型[8]等,即可確定目標配光曲線。本設計針對的路燈安放及道路條件如表2所示。

表2 設計所需路燈安放及道路條件

Tab.2 The design requiring lights placed and road conditions

路燈高度/m路燈間距/m燈桿臂長/m安裝傾角/(°)95040安裝方式道路寬度/m路面材料眩光指數(shù)/%單側8R3<10

其中R3表示對干燥路面的分類,R系列是歐洲國家的標準,一般我國也采用R類標準。R3類標準是指瀝青混凝土路面,所含的礫石尺寸大于10 mm,紋理粗糙如砂紙并已磨亮。本文設計的路面為R3類。

根據(jù)表2可以確定長軸和短軸對應的角度分別為70o和30o。

除了上述參數(shù)以外,考慮到司機和行人對道路光色要求偏向暖白光,而且霧天的氣象狀態(tài)要求光線的穿透力要強,這也要求光線譜線盡量靠近黃色光譜。路燈的色溫選擇向暖白光逼近。

2 光源選取

光學透鏡的常用材料有硅膠透鏡、PMMA透鏡、PC透鏡和玻璃透鏡等。

綜合考慮透光率、生產效率、制造難度、耐熱性和加工成本等因素,透鏡一般采用PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯,俗稱亞克力)材料,其透光率為93%。根據(jù)目標的光通量7 200 lm,可以計算出光源的光通量需要7 741 lm。下面給出一種符合要求的光源選取方案。

選取Glory Sky公司的GS100的大功率白光LED,功率為100 W,色溫5 500～6 000 K,光通量為7 800～8 200 lm,發(fā)光角度為半平面180°郎伯型發(fā)光,發(fā)光面大小為26.4 mm×26.4 mm,厚度為1 mm,發(fā)光面上均勻排布了10串5并的LED光源體。

為了使設計更具有針對性,測得LED實際的配光曲線,如圖1所示。此光源大致符合郎伯型的配光分布,和目標配光一樣,繪制在直角坐標系中。

圖1 郎伯型LED配光曲線

3 透鏡的光學設計

傳統(tǒng)路燈的設計思路是環(huán)帶系數(shù)法。環(huán)帶系數(shù)法是在已知光源配光和目標配光的情況下,采用合適的角度劃分,將目標燈具配光曲線分成一系列的環(huán)帶,每一環(huán)帶都有對應的環(huán)帶系數(shù),對應光源也劃分成一系列的環(huán)帶。計算出燈具出射光分布中各環(huán)帶內的光通量(環(huán)帶內光通量=光強×環(huán)帶系數(shù))及燈具的出射總光通,以及光源各環(huán)帶內的光通量及光源的出射總光通,找出光源劃分角和燈具出射角之間的對應關系,根據(jù)此對應關系計算母線。

環(huán)帶系數(shù)法適用于求解傳統(tǒng)燈具的反射罩母線,其對應的是中心對稱的情況。整體的反射罩可以通過對母線進行單軸旋轉形成。

本文設計的二次光學系統(tǒng)為空間非對稱,僅有一條母線不足以產生文中需要的自由曲面。為了保障在正交的兩個方向上都得到均勻的照度分布,并且兩個方向上各自取任意一點處的照度也要相等。因此需要把環(huán)帶吸收法進行改進,分別求出長邊(沿著道路方向)對應的母線和短邊(垂直于道路方向)對應的母線。將短邊的母線繞著長邊的母線做旋轉形成自由曲面。

即對同一個光源的設計在不同平面上應用了兩次環(huán)帶系數(shù)法,并根據(jù)相應的權重將兩次的結果有機結合起來,從而得到一個全新的結構。

具體設計時,如圖2所示,光線入射點為(xi,yi),θi為入射光線與豎直線之間的夾角；βi為輪廓切線與水平線之間的夾角；αi為出射光線與豎直線之間的夾角。根據(jù)環(huán)帶系數(shù)法得出核心的入射光線和出射光線間的映射關系。設折射率為n,根據(jù)折射定律有

根據(jù)折射定律及上面得出的映射關系可以確定一條唯一的平面曲線。

根據(jù)長軸和短軸對應的出射角的不同,可以得出正交的兩條包絡線。

當母線起點初始矢徑長度為33 mm時,得出的長軸和短軸包絡線如圖3所示。

在三維空間的上半平面內將短軸輪廓線繞長軸旋轉,就可以構成透鏡表面的三維輪廓線,將其導入到三維建模軟件中即可得到對應的立體模型,如圖4所示。本模型保存為合適的igs格式后可以用來進行后續(xù)建模分析及模型加工。

圖2 透鏡輪廓線求解角度對應關系

圖3 長軸和短軸包絡線

圖4 透鏡三維模型輪廓線

4 透鏡的軟件仿真

建立二次光學透鏡實體后,需要對實體賦予材料特性和表面特性。根據(jù)前面的分析,使用PMMA作為透鏡的制作材料。表面特性設為該材料對應的透光率,一般3 mm厚度時穿透率93%左右。該材料對不同波長光線的折射特性較為均勻,追跡時為了提高追跡效率使用單一波長即可。

添加LED的實體模型到Tracepro中進行光線追跡。LED的發(fā)光體賦予郎伯型空間幾何體的發(fā)光特性,相對原點在Z軸方向上偏移-0.5 mm,使得發(fā)光面中心位于坐標原點。波長為單一的0.546 1 μm。單顆光通量設置為8 000 lm,追跡光線為10 000條。

如圖5所示,照射平面上共接收到了8 802條光線,總光通量為7 040.9 lm。根據(jù)對結果的分析得出光斑有效長寬比為1∶2,全平面有效平均照度1 760.2 lx,全路面(包括人行道)照度均勻度為46.7%。其照度分布近似為一個矩形光斑。LED經(jīng)過二次配光后的配光曲線為近似的蝙蝠翼型,如圖6所示。

圖5 單顆透鏡在200 mm遠處的輻照度分布

Fig.5 The irradiance distribution of single len in 200 mm distance

圖6 單顆透鏡的配光曲線

將追跡得到的配光曲線導入到DIALux中得出道路實際照明效果,如表3所示。對照表1,比較道路照明模擬結果和道路照明規(guī)范的要求,對無法滿足要求的指標,返回透鏡建模處進行修改。

重復此過程直到滿足設計目標。

表3 路燈光學模擬結果

5 結 論

針對大部分出廠的高功率白光LED為郎伯型的光度分布,提出X、Y軸方向對稱的自由曲面二次光學配光設計可以有效解決路燈的光型、出光效率、均勻性、配光角度、眩光和安全性等問題,道路照明光學手段將道路方向的配光曲線設計成蝙蝠翼形,得到了很好的均勻度。對提高LED路燈設計水平,實現(xiàn)綠色照明有參考意義。

[1] SCHRUBEN J S. Formulation of a reflector design problem for a lighting fixture[J]. Journal of the Optical Society of America, 1972, 62(12):1498-1501.

[2] 丁毅,鄭臻榮,顧培夫. 實現(xiàn)LED照明的自由曲面透鏡設計[J]. 光子學報, 2009, 38(6):1486-1490.

[3] SU Yi-cheng, WU Qi-guang. Numerical Solutions of Partial Differential Equations[M]. Beijing:China Meteorological Press, 1989:2-16.

[4] RIES H, MUSCHAWECK J. Tailored freeform optical surfaces [J]. Journal of the Optical Society of America A, 2002, 19(3):590-595.

[5] 中華人民共和國建設部. 城市道路照明設計標準(CJJ 45—2006)[S]. 北京:國家標準出版社, 2006.

[6] WOLF K B, KROTZSCH G. Geometry and dynamics in refracting systems[J]. European Journal of Physics, 1995, 16(1):14-20.

[7] 蔣金波,杜雪,李榮彬. LED路燈透鏡的二次光學設計介紹[J]. 照明工程學報, 2008, 19(4):59-65.

[8] 羅毅,張賢鵬,王霖,等. 半導體照明中的非成像光學及其應用[J]. 中國激光, 2008, 35(7):963-971.