2018年两会时间-58同城郑州

2008
年
12
月
第
19
卷　第
4
期
照明工程学报
ZHAOMINGGONGCHENGXUEBAO
Dec.
　
2008
Vol
1
19
　
No
1
4
LED
路灯透镜的二次光学设计介绍
蒋金波　杜　雪　李荣彬
(
香港理工大学
,
工业及系统工程学系先进光学制造中心
)
摘　要
:L ED
的二次光学元件设计对
LED
路灯的配光及光学输出效率至关重要。良好的道路照 明要求
LED
路灯的
配光为长方形的光型
,
路灯发出的所有光刚刚可 以覆盖住马路
,
而马路之外的光污染几乎为零。非对称自由曲面二
次光学元件的采用可 以使
LED
路灯的长方形配光直接在单个
LED
模组上实现。整体路灯只需要 将这些
LED
模组阵
列按照相同方向排列即可
,
从而可以简化路灯机 构、散热及控制电源的设计。本文介绍了
LED
路灯的二次光学设
计
,
及一种用于
LED
路灯的自由曲面二次光学透镜的设计方法。
关键词
:LE D
路灯
;
自由曲面
;
二次光学元件
;
配光
;
道路照明
;
散热
OpticalDesignofaFreeformLe nsforLEDStreetLight
JiangJinbo
　
SandyTo< br>　

(
AdvancedOpticsManufacturingCentre ,DepartmentofIndustryandSystemsEngineering,TheHong KongPolytechnicUniversity
)
Abstract
　
Thesecondaryopticsdesignisacraticalissuefortheout putefficiencyandlightdistributionpatternofthe
o adwayilluminationrequirestheLEDstreetlighttohavear ectangularlightdistribution
paptionoftheunsymme trical
freeformopticswitharectangularlightdistr ibutiononXandYisanecessarywhichmakestheLEDstreetli ght
leLEDstreetlightcanbemadeupifonlymountsthes eLED
hanism,thermalmanagement,andthepowercontro lelectronicsoftheLED
paper,theopticaldesignofth eLEDstreetlightandthecalculation
methodologyofa freeformopticsforthestreetlightisputforward.
Ke ywords:LEDstreetlight;freeform;secondaryoptics;lig htdistribution;thermalmanagement
1
　背景
LE D
(
发光二极管
)
技术的发展开辟了照明技
由于大部分
LE D
光源的辐射角分布为
110
度至
120
度的郎伯
(
Lambertiandistribution
)
分布
,
如果没
有经过配光设计
,
照在地面上的光型将会为面积较
大的圆型的光斑
,
约
50%
的光散落到马路之外没有
被利用起来
,
而且会对远处的车辆 或行人产生眩光
,
与路面照明的要求不符。《城市道路照明设计标准》
要求路灯的配光 为长方形的光斑
,
将几乎所有的光
都分布在路面上。对于主干道还需要采用截光型或半截光型的配光设计
,
一方面可以提高光的利用
效率
,
另一方 面还可以避免产生眩光。
[1]
术革命的新时代。由于
LED
具有体积小、寿 命长、
电光效率高、环保节能等诸多优点。使得
LED
路灯
照明技术在最近几 年得到了迅速发展。目前
,
市面
上单颗
LED
光源的实际已经可以做 到了每瓦
100
流
明
,
采用传统
250
瓦钠灯作光 源的路灯
,
用
LED
光
源代替之后
,
大概只需要< br>60
多颗
LED
就可以产生
相同的亮度
,
从而极大地 节省了能源的消耗。

60
照明工程学报
2008
年
1 2
月　
2
　
LED
路灯的配光设计
关于
LED路灯的配光设计有很多种
,
最常见的
有以下两种
:
第
1
种是弧形排列的
LED
路灯。单个
LED
模组
采用轴对称的 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覆盖道路的宽度
;
再将
LED
模组排列在一个弧面上
,
通过调整弧面的曲率在道
路方向产生一个长方形的光型分布。图
1
为弧形排
列的一个
LED
路灯的设计
,
路灯采用了
60
颗高功
率
OSRAM
朗伯分布的
GoldenDragonLED,
单颗
LED
的输出光通量为每 瓦
80
流明。透镜设计采用轴对称
的透射———全反射组合结构
,
如 图
2
所示。透镜中
间部分为一平凸非球面透镜。平凸非球面透镜将从
LED< br>出射的与光轴夹角±
64
°内的光均匀分布在±
30
°
范围之 内。剩余
64
°～
90
°部分的光透过透镜内部侧
面的柱面之后,
由外边倾斜的曲面进行全反射
,
这
部分的反射光再经过上表面的锥面透 射后也形成±
30
°范围内的分布。透镜的透射部分和全反射部分的
光束经叠加后,
最后形成一个±
30
°范围内比较均匀
)
。透镜的光线追迹和 的光束分布
(
均匀度大于
60
°
光强的远场角度分布见图
3 ,
光强的远场角度分布
为蝴蝶形。
图
1
　采用弧形排列的
L ED
路灯实物及设计方案
2
1
5
个车道宽度约为
10
米的方形的光型。
这种
LED
路灯的二次光学元件
(
透镜或反光< br>杯
)
的设计和加工较为简单
,
引入全反射透镜可以
最大可能地 提高光的利用效率
,
理论计算的效率超
过
98%
。但由于透镜材料本 身的透射率约为
92%,
实际注塑出来的透镜效率约
90%
。透镜需要产生一
定的角度分布以便在要求的高度位置覆盖住所需的
道路宽度
,
而道路方向的配 光则通过
LED
排列的弧
面来调整。弧形排列的
LED
路灯比较美观
,
不利因
素是弧形的排列使高功率
LED
的散热板设计和灯头
图
2
　发散角为
60
°的
LED
全反射透镜的设计
的结构设计较为麻烦。
第
2
种是平面排列的
LED
路灯。
LED
路灯的设
计采用了
XY
方向非对称的长方形配光的自由曲面
光 学元件
(
透镜或反光杯
)
,
长方形的配光直接在单
个
LED
光学元件上完成
,
整体路灯只需将具有长方
形配光的
LED
模组简单的排列在一个平板上即可
,
　　
LED
路灯的构成方法为将
LED
透镜模组排列在
一个弧面上
,
通过调整弧面的曲率
,
使灯头在弧面
方向形成±
60
°左右的配光
,
于是灯头安装 在
10
米
高的时候可以在路面上产生约长度约
35
米
,覆盖

第
19
卷第
4
期蒋金波等
:LED
路灯透镜的二次光学设计介绍
61
这种
LED
路灯在机械结构、散热 及电源控制方面比
较简单
,
不同等级公路和不同灯杆高度的道路照明
只需要增 加不同数量的
LED
模组即可。由于配光为
长方形非对称的分布
,
简 单轴对称的全反射透镜无
法实现
,
需要采用非对称自由曲面的透镜
,
透镜的
设计和加工工艺比较复杂。这里将重点介绍这种自
由曲面透镜的设计。
图
3
　单个
LED
模组的光度分析
　　由于一般的光学软件
(
如
Zemax,CodeV
等
)
针
对自由曲面的优化设计方法不够 成熟
,
设计一个非
对称的自由曲面需要花很多的时间用手工不断反复
的调整和 设置操作参数
,
一个比较复杂的自由曲面
往往需要多达一个月甚至几个月的时间
,
有时所优
化出来的曲面
,
光学效率还不够理想。这里采用了
边缘 光线扩展度
(
Etendue
)
守恒的原理创建了一套
自由曲面控制 网格的节点矢量的精确计算方法
,
可
以在较短时间内
(
一般为几个小 时甚至更短
)
优化
出具有最优效率及精确配光的自由曲面光学元件。
图
4
　边缘光线的扩展度守恒
　　边缘光线的扩展度守恒原理如图
4
所示,
它结
[2]
合了边缘光线原理及光源的扩展度守恒
(
Eten due
[3]
Conservation
)
。光源经过光学系统到达目标是个 数
学映射的关系。通过自由曲面的边缘的那部分光线
,
经过映射后
,
也对应于目标的边缘
,
自由曲面中间
连续的部分
,
经过映射后
,
也在目标中间形成连续
的分布。如果光学系统没有损耗
,
那光学系统的光
源及目标的扩展度是守恒的。扩展度为光源或目标

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照明工程学报< br>2008
年
12
月　
的面积与光线发散角所形成的立体角的乘积。根据
这一原理
,
可将目标及自由曲面分割成等量的网格
(
如图
4
中的
V&U
网格及
Y&X
网格
)
,
目标的 网格
节点与自由曲面的网格节点形成一一对应
,
再根据
目标节点的位置及法矢 量
,
就可以对应地精确计算
出图
5
所示的自由曲面的控制网格的节点 法矢量
,
从而生成所需要的自由曲面。边缘光线的扩展度守
恒原理可以由以下式子来表 示
:
E
=
n
2
2
EM
4
D
∑
O
=
EM
4D
∑
i
=
n
=< br>M
2
κ
d
A
cos
θ
d
Ω
4D
d
x
d
y
d
p
d
q
+dx
d
z
d
p
d
r
+d
y
d< br>z
d
p
d
r
(
1
)
∫
∑< br>(
R
)
　　　　式中　
E
———光束扩展度
;
Ω
———立体角
;
EM
4
D
EM
4
D< br>E
=
nA
O
Ω
proj
=
π
nA< br>o
sin
θ
1
Π
2
κ
d
A
cos
θ
d
Ω
22
∑
∑
O
i
—— —输出光束的扩展度
;
———输入光束的扩展度。
图
5
　自由曲面上 筋和肋的节点法线矢量
　　这种设计方法被用来设计
LED
路灯的自由曲面
透 镜
,
路灯安装高度为
12
米
,
路灯间隔
40
米
,
路
面宽
12
米
(
3
个车道
)
,
即路灯需要在路面上产生
40
米长、
12
米宽的方形光 斑。根据这个要求
,
需要
设计在
X
方向产生±
60
°内均匀分布的配光
,
在
Y
方
向产生±
30
°内均 匀分布的配光的方形光斑的自由曲
面透镜。图
6
为用边缘光线扩展度守恒方法设计的< br>自由曲面透镜。
图
6
　透镜形状及配光原理

第
19
卷第
4
期蒋金波等
:LED
路灯透镜的二次光学设计介绍
63
　　透镜的控制网格的节点法线
,
跟据边缘光线扩
展度守恒原理
,
以及斯涅尔
(
Snell
)
折射定律
,
有以下公式
(
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 。
N
x
=
N
y
=
N
z
=
A
x
-
B
x
2
2
2
2
|A|-A
・
A
′
A
y
-
B
y
|A|-A< br>・
A
′
A
z
-
B
z
|A|-A・
A
′
222
|A|=
A
x
+
Ay
+
A
z
(
2
)
A
・
A′
=
A
x
B
x
+
A
y
By
+
A
z
B
z
　　将透镜曲面和目标光斑分成等量的网 格
,
根据
入射光线及出射光线的
Snell
方程
,
将网格的节点矢
量一一对应
,
整个曲面的控制网格由计算机迭代法
算出
,
最后将控制网格蒙上蒙皮形成曲面再填充后
形成透镜实体。整体路灯的光效模拟由光线追迹 软
件
LightTools
进行光线追迹
,
如图
8
所示。模拟结果
如图
9
至图
11
所示
,
当路灯高度 为
12
米的时候
,
路灯在
40
米×
12
米 的路面上可以产生非常均匀的
配光。路灯的远场角度分布为蝙蝠翼形
,
辐射强度
X
方向的峰值光强的一半约为±
60
°
,
辐射强度
Y方
N=
N
x
i+
N
y
j+
N
z
k;
A=
A
x
i+
A
y
j+
A
z
k;
A
′
=
B
x
i+
B
y
j+
B
z
k;
图
7
　透镜控制网格的法线及入 射出射光线
向的峰值光强的一半约为±
30
°。路灯的光型如图
11
所示
,
实物照片如图
12
所示
,
路灯光形测试结果通
过国家城市道路照明设计标准
CJJ45
—
2006
。
图
8
　自由曲面透镜
LED
路灯的光线追迹

64
照明工 程学报
2008
年
12
月　
图
9
　
12< br>米远处的照度分布
图
10
　
LED
路灯光强的远场角度分布< br>图
11
　
LED
路灯光型图

第
19< br>卷第
4
期蒋金波等
:LED
路灯透镜的二次光学设计介绍
65
图
12
　采用自由曲面透镜的
LED
路灯实物照片
3
　结论
本文主要介绍了两种
LED
路灯的配光设计并重
点介绍了一种非对称 配光的自由曲面透镜的光学设
计。第一种
LED
路灯采用了轴对称的全反射透镜或反光杯
,LED
透镜模组排列于一个弧面上以产生长
方形的配光。全反射透镜的引 入可以极大地提高光
的利用效率
,
但是弧形的
LED
模组的排列使高 功率
LED
的散热板设计和机械结构较为麻烦。第二种
LED
路灯采用了非对 称的自由曲面透镜
,
可以将长
方形的配光直接由单个
LED
光学元件 完成。整体灯
头只需将具有长方形配光的
LED
模组简单的排列在
一个平板上 即可
,
这种
LED
路灯在机械结构、散
热、及电源控制方面比较简单
,
不同等级公路和不
同灯杆高度的道路照明只需要增加不同数量的
LED模组即可。自由曲面的设计采用了边缘光线扩展度
(
Etendue
)
守 恒的原理
,
创建了一套自由曲面控制
网格的节点矢量的精确计算方法。使透镜在
X
方向
产生±
60
°内均匀分布的配光
,
在
Y< br>方向产生±
30
°
内均匀分布的配光的方形光斑。
参考文献
[ 1]
　中国建筑科学研究院
.CJJ45
—
2006
城市道路照明设
计标准
.
中国建筑工业出版社
,2007
年
1
月< br>,PP
1
7
～
12
[2]
　
HaraldR iesandAriRabl.
“
Edge
2
rayprincipleof nonimaging
optics
”
,.A,Vol.11
(
10
)
,Oct.1994,
pp.2627
～
2632
[3]
　
XutaoSunetal.,2006.
“
Etendueanalys isandmeasurement
oflightsourcewithellipticalref lector
”
,Displays
(
27
)
,pp.56
～
61
CIE
中期会议
2009
年在布达佩斯举行
全球照明界关注和期盼的国际照明委员会
(
CIE
)
中期会议将于< br>2009
年
5
月在匈牙利布达佩斯召开
,CIE
中期会议每四 年
召开一次
,2009
年的
CIE
中期会议共将历时
10< br>天
,
其中
5
月
27
日到
29
日的光 和照明大会是本次中期会议的核心内容。中国
照明学会将组团参加此次会议。本次
CIE
中期会议将特别强调
LED
和固态照明
(
LightandLightin gConferencewithSpecialEmphasis
onLEDsandSolidSt ateLighting
)
。
中国照明学会参加
CIED2
分部的代 表———潘建根教授级高工被
CIE
遴选为大会的国际组委会
(
IOC
)
OrganizingCommittee,
简称
IOC
)
委员
,IOC
共有
15
名成员组成。
(
Internation al
目前光和照明大会正在论文征集阶段
,
本次大会的目标在于
:
召 集照明界的专家和工程师们共同探讨有关光和照明的所
有方面
,
重点内容为
:
———半导体照明
;
———
LED
在照明和信号方面的理论和应用< br>;
———光的医学作用
,
以
LED
照明为重
点
;
———现代光源的颜色特性和评价方法。详细内容可登陆
http:
ΠΠ

Π
symp
Π
Light+Lighting2009
2
1 st
2
Circ
2

查询。
会议具体时间如下
:20 09
年
1
月
31
日提交摘要截止
;2009
年2
月
20
日接受摘要通告
;2009
年
3
月< br>10
日酒店预订截止
;
2009
年
3
月
15
日早期优惠注册截止
;2009
年
5
月
27-29
日光和照明大会。