LED路灯光学设计及优化技术-论文

LED 路灯光学设计及优化技术的研究 陈加琦 邹念育 摘要 1 关键词 1 1 技术背景 1 2 全反射式二次光学透镜的设计 2 3 全反射式二次光学透镜的计算机模拟 6 4 结论 9 5 参考文献 9 摘要 二次配光设计是直接决定 LED 路灯的输出效率 配光分布 均匀度及眩光程度的 重要环节 绿色环保的城市道路照明要求 LED 路灯产生正好覆盖马路的长方形的光斑 对 马路之外的其他地方譬如居民楼和建筑物的光污染尽量的少 本文采用 XY 非轴对称的自由 曲面二次光学的配光设计来实现此目标 使得在单个透镜模组上就可以完成高效率长方形 的输出光斑和截光设计 整个路灯的结构非常简洁 LED 透镜模组排列规范 简化了 LED 路灯的机械结构 散热结构 以及驱动控制 本文介绍了一种全反射型的二次光学透镜的 设计 该透镜可以实现很高的输出光效率以及较均匀的长方形光斑 关键词 LED 路灯 二次光学 全反射透镜 1 LED 路灯的现状 虽然 LED 技术近几年飞速发展 但 LED 应用于道路照明领域仍然尚未成为主流 但在 各国及地区政府的资助下已开始进行颇具规模的测试与应用 此外 由于节能环保趋势及 相关法令相继出台 亦加速推动了 LED 路灯进入市场的进程 由于道路照明的潜在市场庞大 所以大量企业争相加入这个领域 但是真实藉由市场 行为获利的企业却很少 总结其原因在于目前不论是产品 市场还是标准都处于过渡时期 因各国及地区标准差异性大且变动迅速 此亦促使企业 产业链及社会成本提升 进而压 缩了企业的获利空间 归纳过往发展历程及未来 LED 于道路照明的趋势 将可区分为三个阶段 如下 准备阶段 2004 2008 年 本阶段中一些重要技术已得到发展及突破 其中 2007 2008 年路灯小规模示范工程出 现 客户开始学习和了解这一技术 同时相关标准及规范草案陆续出台 发展阶段 2008 2012 年 此一阶段为过渡时期且发展迅速的阶段 以政府及系统整合业者为主的市场推动者开 始推动 LED 路灯市场化 LED 照明系统将安装在公园和公共区域 同时大量不同领域的发 展商于此时加入并争夺市场 于此阶段 由于来自市场需求的牵动 致使针对室外照明不 同应用标准化的需求亦显紧迫 完全成熟阶段 2012 年以后 地区性龙头企业将会出现 而小型企业将被淘汰 最终不能提供有效节能和长寿命产 品的企业亦会被自然淘汰 7 LED 照明的特点及问题 与传统路灯系统相比 LED 路灯具以下特点 1 灯源及发光机理的不同 2 系统的集成特性及延伸性不同 3 影响系统效能的关键因子不同 4 系统工程需求不同 2 技术背景 LED 固体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 的光度分布是朗伯分布 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 120o 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 大约一半左右的光斑会 散落到马路之外而浪费掉 并且光斑的中心会比较亮 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三维曲 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 全反射式二次光学透镜可以收集从 LED 芯片发出的全部 180o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 朗伯型的光度分布 约 50 的光 斑散落在马路的外面而损耗 马路 经过二次光学配光的长方形光斑分布 a b 图 1 a 没有经过二次光学配光设计的 LED 路灯的光斑 b 经过二次光学配光设计的 LED 路灯的光斑 3 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 图 2 为一种全反射式二次光学透镜的三维模型 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 120o 沿着道路方向 以及 Y 方向 60o 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 即在 X 方向 输出光线 的边缘光线的与光轴的夹角为 60 o 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 o 透镜的设计原理如图 3 所示 其中 Y 方向的配光原理如左图 从 LED 发出的中间部分 的光 由内凹的柱面镜进行汇聚 汇聚后所有输出光线反向延长线交于一虚焦点 F F 与柱面镜边缘组成的这部分光线 再经过上表面之后 分布在角度 30 o之内 剩下 的从 LED 发出的往侧面方向的光 则由侧面的全反射棱镜进行进行配光 经入射面入射到 外侧全反射面的光线 从下到上 其反射角是渐变的 再经过上面的输出面折射之后 这 部分的光也均匀分布在 30 o之内 沿 X 方向的配光原理如图 3 的右图 内凹的柱面镜覆盖 了从 LED 发出的中间部分的 76 o之内的光线 上表面 W 形状的曲面将这部分光线均匀 分配在发散角为 60 o之内 并形成一个蝙蝠翼的配光曲线分布 透镜两端各有一全反射棱 镜 用来起截光的作用 收集剩下从 LED 发出的 76 o 90 o的光 这部分光如果不经过配 光 直接射出后会造成眩光 经过透镜两端外侧的全反射面反射和上表面 W 曲面的折 射之后 重新分布在光束角 30 o之内 两部分的光叠加一起后形成一光束角为 60 o的光 度分布 其光强的远场角度分布 配光曲线 为蝙蝠翼形 图 3 Y 和 X 剖面的设计原理 在透镜的 Y 方向 内凹的非球面柱面镜的设计和外侧全反射面轮廓线的设计如图 5 的 a 和 b 所示 图 5 a 为用 MATLAB 绘制的光路图 从 LED 射出的 40 o以内这部分光线 经 过柱面镜折射之后 所有光线的反向延长线交于虚焦点 F 经过点 F 和柱面镜的边缘 所形成的边缘光线 其与光轴的夹角为 19 6 o 经过上表面折射后 形成 30 o的出射光 线 图 5 b 为用来计算外侧全反射轮廓线上各点坐标值的数学模型 其中 为 LED 出射 光线 OP 与光轴 OO 的夹角 Q x y 为外侧全反射轮廓线上一点 Q 的坐标值 其反射线 QR 与光轴的夹角为 为全反射棱镜入射面的拔模角 以利于中间柱面镜模芯的拔出 这 里设置为 2o 图 4 内凹柱面镜 Y 方向剖面迭代公式变量图解 1 iioba tnt 2 iiina cosst 3 iiiiy ta11 a P O O Q x y 2 R S T D Z A B C N b 图 5 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 当 角从 90o变化到 40o时 反射角 即反射光线 QR 和竖直线 QT 之间的夹角 从 0o 变化到 19 6o 从点 Q x y 的角度关系 可以得出以下的式子 4 2 以及 5 2 从公式 1 及 2 可得出以下的式子 6 21 其中 为曲线 BD 在点 Q x y 处的切线角 为切线 QZ 与竖线 QT 的夹角 PQ 为 P 点位置的折射光线 为 PQ 与水平线之间的夹角 曲线 BD 的导数和切线角 的正切 函数之间有如下的关系 7 dxy tan 其中 dy 和 dx 为曲线 BD 在 Y 和 X 方向的微元 根据在 P 点位置的斯涅尔定律 3 4 有如下关系 8 2sin si 因此 9 co1 当 角从 90o变化到 40o时 从 0o渐变到 19 6o 假设 AB 的初始值为 1mm 联合公 式 4 5 6 7 8 和 9 Q x y 点坐标值可以通过数学模型的积分迭代法依次 算出 图 6 全反射棱镜部分 Y 方向剖面迭代公式变量图解 10 naii cos i 11 iii 21 12 tant0iixh 13 ii iiii xyx tattn 1 1 14 iiiii xn 11 图 7 X 剖面 上表面配光设计的数学模型 针对上表面在 X 方向上的配光 其数学模型如图 7 所示 根据柱面镜底部 AB 轮廓线上 P 点位置的斯涅尔定律 有 15 sini 再根据 Q x y 点位置的斯涅尔定律 有如下关系式 16 cosinitansinisi icos 式中 为竖直线 QV 与出射光线 QR 的夹角 为法线 QN 与竖直线 QV 之间的夹角 为 LED 的出射角 为 P 点位置的折射角 n 为透镜材料的折射率 为了配成蝙蝠翼状 的光强的远场角度分布 当 LED 的出射角 从 0o变化到 76o时 输出光线满足以下的关系 17 oooif6 0ta6tan1 以及 18 oooif760 6tan012tan 再根据以下曲线 CF 的微分和切线 QS 的正切角函数之间的关系 19 dxy t 联合公式 15 至 19 上表面的马鞍形曲线 CF 的数值坐标可以用积分迭代法一一计算 出来 图 8 上表面配光设计迭代公式变量图解 20 naii s 21 iii cost 22 0 tan1 ta t an ii iiiii yxy 23 iiiii 1 在 X 方向剩余从 LED 射出的角度 为 76o至 90o的这部分光线 如果不经过配光直接 射出 则会对远处的车辆产生眩光 这部分的光需要进行截光设计 所谓截光设计 并不 是把这部分的光遮挡 而是把这部分的光重新分配到所需要的地方 这里采用透镜两端的 全反射面 EF 将这部分光进行收集并重新分配 计算方法如上述图 4 的算法一样 重新分布 后的光束角为 30 o 4 全反射式二次光学透镜的计算机模拟 透镜所有的透射面和反射面的轮廓线计算完成之后 数据点可以输入到光线追迹软件 FRED 中进行 3 维实体模型的建立 建立二次光学透镜实体后 添加 LED 的实体模型到 FRED 中进行光线追迹 如图 6 所示 LED 芯片的发光体赋予 0 224 0 224 0 1mm 的郎伯 型空间几何体的发光特性 相对原点在 z 轴方向上偏移 0 18mm 波长为单一的 0 6328 m 输出光通量为 80lm w 单颗光通量设置为 1lm 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 图 7 为单颗透镜在 50mm 远处的照度分布 LED 光源设定初始光线为 10000 条 发出的 流明数为 1lm 经 LED 一次透镜折射后光线剩余 2291 条 出光效率 22 91 有效值 root mean square 简称 RMS 就是一组统计数据的平方的平均值的平方根 47 12691 有效出光效 率 22 2 将照度投射到 xy 平面上 其中心点在 0 884131 0 191926 有效值范围右上 角为 33 50213 33 14442 光斑左下角为 99 32173 99 72531 光斑右上角为 99 30854 99 70733 光斑范围是 198 63027 199 43264mm 光斑长宽比为 1 0 996 有效光斑范围是 65 234198 66 672692mm 有效长宽比为 32 617099 33 336346 1 0 9784 全平面平均照度 5 727e 6 有效平均照度 7 175e 6 最大照度在坐标 0 0 处 为 9 922e 5 最小照度在 95 23809 57 14285 处 为 1 102e 6 照度均匀度为 19 24 有效照度均匀度为 15 36 经二次光学透镜后光线剩余 2478 条 出光效率 24 78 相对一次配光出光效率为 108 2 有效值 root mean square 简称 RMS 就是一组统计数据的平方的平均值的平 方根 40 72424 有效出光效率 16 58 相对一次配光有效出光效率为 74 68 将照度投 射到 xy 平面上 其中心点在 0 064616 0 404353 有效值范围右上角为 15 87920 37 50086 光斑左下角为 52 40224 99 62576 光斑右上角为 50 51913 98 55112 光斑范围是 198 17688 102 92137mm 光斑长宽比为 1 1 9255 有效光斑范围是 75 810428 31 629168mm 有效长宽比为 37 905214 15 814584 1 2 3969 全平面平均照度 6 195e 6 有效平均照度 1 707e 5 最大照度在坐标 0 0 处 为 6 394e 5 最小照度在 47 61904 85 71428 处 为 1 102e 6 照度均匀度为 17 79 相对一次配光照度均匀度为 92 46 有效照度均匀度为 6 46 相对一次配光有效照度均 匀度为 42 06 由于分析平面面积有限 而 LED 又是郎伯型配光 当移除二次光学透镜后 分析平面 无法接受 LED 发出的全部光通量 根据我们的设定距离 仅有 24 8 的光投射到了分析平 面上 大约是在 63 4 63 4 o之间的光线总数 这部光仅占理想光源总光通量的 1 4 不到 这绝大部分是因为 LED 的发光位置是设定在 LED Die 里面 光线在 LED Die 内部无规则散 射 LED 的发光强度会有因为 LED 的 Chip 和 Contacts 而有能量的损失 除去这部分损失 剩余的只是反射和折射损失 他们只占总损失的极小一部分 可以忽略不计 如果把这部分光作为 LED 经一次配光后的总光通量 实际追迹过程中 透镜将原先角 度过大无法被分析平面捕捉到的光线重新分配到分析平面上 因此我们透镜的出光效率为 108 2 但是由于透镜被设计为理想透光和反光 仿真过程中设定透镜材料 Standard Glass 本身的透过率为 100 全透过 对光线无任何损失 可以预见实际我们透镜的出光 效率仅取决于其本身的透过率 结构并不会影响出光效率 这也在另一方面验证了本透镜 在抑制眩光方面做出的改进 单颗透镜光强的光强分布如图 8 所示 其光强分布和照度分布都近似为一个矩形光斑 图 7 单颗透镜在 50mm 远处的光斑分布 图 8 单颗透镜在 50mm 远处的照度分布 5 结论 由于大部分出厂的高功率白光 LED 为郎伯型的光度分布 利用 XY 方向非轴对称的自由 曲面二次光学的配光设计可以有效解决路灯的光型 出光效率 均匀性 配光角度 眩光 和安全性等问题 提供符合国家标准所要求的配光 真正实现环保和绿色的照明 全反射 二次光学透镜的采用可以实现很高的配光效率 得到超过 90 的输出效率 全反射透镜上 表面的 W 型自由曲面 可以将道路方向的配光曲线设计成蝙蝠翼形 实现很好的均匀度 透镜底部用来聚光的非球面柱面镜由 MATLAB 完成设计 外侧的全反射面和上表面的自由曲 面则通过数学模型精确计算并由计算机拟合而成 本设计结合了光学设计 数学建模 以 及三维曲面造型 以及边缘光线理论 是 LED 非成像二次光学的一个典型的设计方法 6 参考文献 1 Harald Ries and Ari Rabl Edge ray principle of nonimaging optics J Opt Soc Am A 11 10 1994 2627 2632 2 Focus Software lnc website 3 William Whewell History of the Inductive Science from the Earliest to the Present Times London John H Parker 1837 4 Wolf K B Geometry and dynamics in refracting systems European Journal of Physics 16 1995 14 20 5 Optical Research Associates ORA website R 6 一种用于 LED 路灯的全反射式二次光学透镜 蒋金波 杜雪 李荣彬 张志辉 香港理 工大学 工业及系统工程学系 GH040 先进光学制造中心 7 从过渡时期看 LED 路灯技术发展 卢明 刘洋 香港应用科技研究院有限公司材料 与封装技术群组 李修京 2012 9 28