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一种用于LED路灯的全反射式二次光学透镜[1]

2010-6-17  来源:中国半导体照明网  作者:蒋金波 杜雪 李荣彬 张志辉   有17054人阅读

  LED固态半导体照明技术被认为是21世纪的战略节能技术。中国、欧洲和北美的许多国家和城市都已经进行了LED道路照明技术的开发和大力推广,相比于金属卤素灯(MH)和高压钠灯(HPS),LED路灯拥有更长的寿命(大于5倍);除此之外,LED路灯还具有更好的可控性和光效,可以节能50%之多。

  1. 技术背景

  LED固态半导体照明技术被认为是21世纪的战略节能技术。中国、欧洲和北美的许多国家和城市都已经进行了LED道路照明技术的开发和大力推广,相比于金属卤素灯(MH)和高压钠灯(HPS),LED路灯拥有更长的寿命(大于5倍);除此之外,LED路灯还具有更好的可控性和光效,可以节能50%之多。LED路灯的另一个绿色能源的特征是光源本身不含有害物质汞。光学方面,LED芯片的小光源特性可以比较容易实现精确的配光和二次光学的优化设计,准确控制光线的方向,把光充分的分配到所需要照明的马路上,防止光污染和眩光。

  二次光学设计是决定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术。现有市场上大部分的高功率白光LED的光度分布是郎伯分布,光斑是圆形的,峰值光强一半位置处的光束角的全宽度约为120°。LED路灯如果没有经过二次光学的配光设计,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浪费掉,并且光斑的中间会比较亮,到周围会逐渐变暗。这种灯装在马路上之后,路灯之间会形成很明显的明暗相间的光斑分布,对司机造成视觉疲劳,引发事故。这种情况下的LED路灯就不能叫做“节能”和“绿色照明”了。国家城市道路照明设计标准要求LED路灯的光斑如图 1(b)所示,光斑为长方形,正好可以覆盖马路,并且有很好的均匀性。LED的二次光学技术,不同于其他的学科,是一门涵盖非成像光学和3维曲面建模的交叉学科,二次光学的设计可以有效解决LED路灯的出光效率、均匀性、配光角度、眩光和安全性等问题,提供符合于国家标准所要求的配光,真正实现环保和绿色的照明。另外LED路灯有较好的显色指数(CRI),根据需要可以调节不同的色温使其可以满足白天、晚上、晴天和雨天等不同的环境。

 
图 1(a)没有经过二次光学设计的LED路灯的光斑,(b)经过二次光学配光设计的LED路灯的光斑

  Fig. 1 (a) Light pattern without optical design, (b) Light pattern with fine optical design

  全反射式二次光学透镜可以收集从LED芯片发出的全部180°的光,并重新分配到指定的区域,是个很好的解决方案。自由曲面的配光可以使LED路灯光强的远场角度分布呈蝙蝠翼分布,使光斑成长方形,并且光斑的中间和边缘比较均匀,利用边缘光线原理,透镜还可以实现截光设计,消除眩光。以下为一种全反射式二次光学透镜的设计方法。

  2. 全反射式二次光学透镜的设计


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,中间内凹的非球面柱面镜部分、侧面的全反射棱镜部分、两端的全反射棱镜部分、以及上表面“W”型的自由曲面组成。透镜将郎伯型LED的光配成沿X方向120°(沿着道路方向)以及Y方向60°(垂直于道路的方向)的光度分布。透镜的设计遵循“边缘光线原理” [1],即在X方向,输出光线的边缘光线的与光轴的夹角为±60°,其他所有的输出光线都分布在这一角度之内,在Y方向,输出光线的边缘光线的角度为±30°。

 

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