LEDLED 灯具透镜光学设计解析灯具透镜光学设计解析导读：导读： LED 光源作为实际应用的照明光源的时间不长,但在实际照明工程中表现出了极大 的优势,光源结构紧凑、整体发光效率高、照明设计也更为灵活,但 LED 光源配光不易实现。LED 光源作为实际应用的照明光源的时间不长,但在实际照明工程中表现出了极 大的优势,光源结构紧凑、整体发光效率高、照明设计也更为灵活,但 LED 光源 配光不易实现。现有的大部分 LED 光源的出射角为 110?120?的圆形光源,如果 没有经过配光,会在路面形成一个面积较大的圆斑,如图 1 所 示1。为有效利 用 LED 的光线,希望道路照明灯具应将光源发出的光线在空间上合理分配,最终 在路面形成照度均匀的矩形光斑,如图 2 所示。对于大功率路 灯来说,光源部分 现主要采用单个小功率 LED 阵列和大功率集成封装 LED 光源,前者灯具设计受到 光源数量和排大幅提高地方列方式等限制,行业中积累了一定 的灯具设计经验, 而后者光色一致性容易控制,灯具装配简单,但发光面大,并无设计经验可依。在路灯设计中,光源光线的出射角改变程度受限,针对较小出光角要求的设 计中无法考虑大角度光源光线,即道路路宽限制了横向出光角的大小,在横向尺 度上不 易充分利用光源能量,这给非对称自由曲面透镜的设计提出了难题,即在 路面长度方向要将光线拉开,使光形有足够的长度,而在路面宽度方向要将光线 压缩,使 LED 发出的光线集中到沿道路长度方向的矩形区域内。目前,一些学者采用自由曲面透镜进行单个 LED 光源的路灯配光设计,而对 大功率集 成封装光源配光研究较少。丁毅等人基于光源能量与目标面能量的拓 扑对应关系构建了一阶偏微分方程,然后求解透镜的曲面数据,但是建模时曲线 拟合会失真,且 得到的是正多边形光照面,并不是路灯照明中所要求的矩形。王 洪等人也基于能量守恒,划分光源与目标面能量网格来设计自由曲面反射镜,但 也会产生建模时曲线 拟合失真的问题。本文光源采用大功率集成封装光源,基于能量守恒设计自由曲面透镜,构建 道路外部区域光线能量与光源能量的对应关系,只 设计这一部分的透镜曲面,采 用二次曲线来作为灯具透镜的母线,通过有限个点构建曲线,依据光源性质、照 明面的照度要求和照度范围,利用正交优化分析透镜母 线的相关参数,最后得到 了矩形光斑照明所要求的光学自由曲面透镜。图 2 道路要求的矩形光斑1 1 透镜曲线斜率方程透镜曲线斜率方程在以下的讨论中,定义 x 方向为路面长度的方向(即沿道路车辆行驶的方向),y 方向为路面宽度方向(即垂直于车辆的行驶方向)。常见的自由曲面设计方法有两种:数值优化法和直接法。数值优化法提出 了带有若干可变参数的优化函数,要求设计人员具有丰富的经验,由于是反复多 次优化, 因此设计过程较长。使用直接法的初始条件是己知光源的发光性质和 预期照明目标面上的光照分布,通过加入自由曲面透镜,将光源的光线分布与照 明目标面的光线 分布加以匹配4。对匹配光源的光线与照明面的光线分布来 说,本文提出了透镜母线的优化方程,在后续设计中运用该方程构造透镜曲面。如图 3 所示,设光源 o 位于直角坐标的原点,照明路面的长度为 s,照明高度 为 h,出光角与水平面的夹角为 ,简化设计,设透镜在第一折射面不经过折射, 光线只经过透镜第二折射面 p 点才发生折射。根据 Snell 定律,可表示为式中:n1 为透镜的折射率;n2 为空气的折射率; 和 分别为光线的入射 角和出射角。根据图 3 可得出如下关系式:由式(6)可知,已知光束的出光角与水平面的夹角 ,要求路面的照射光斑宽度 为 s 和照射高度为 h,设定 r,即透镜 p 点距 LED 光源中心 o 点的距离,就可确定 透镜曲线在点 p 处的曲线斜率。2 2 自由曲面透镜的设计自由曲面透镜的设计现给定集成大功率 LED 光源,功率为 50W,发光面直径为 20mm,光通量为 42004600lm,出射角为 120。未加透镜,对该光源在 LightTools 内建模,设置接受面,高度为 10m,设置 光源直径为 20mm,考虑 LED 的光通量损失,设定光源初始光通量为 4200lm,设置 光线数为 300 万条,对该光源进行仿真分析。图 4 所示为光源模拟仿真,图 5 所 示为 LED 光源的路面照度分布模拟。图 4 光线仿真在城市道路照明设计标准中,对于次干道路路面的要求为平均照度,需达 到 1015lx,若系水泥混凝土路面,其平均照度值可相应降低约 30%5。为了达到国家照明标准的均匀性要求,以往灯具通常是提高输出功率,使得 周围暗斑的次干道照度不小于 2.4lx,次干道路灯具的光分布长度尺寸要求照射 路 宽 10m,路面照明长度为 3250m。对图 5 进行分析,现取 y 边缘照度在 2.5lx 左右的区域进行分析。在此照度区域内,形状为直径 28m 的圆形光斑, 边缘照度 为 2.55lx,最大照度值为 17.65lx,平均照度为 5.02lx,若无任何光学系统,照射 光斑为圆形,不能达到标准要求的矩形照明。为了让 LED 所发出的光尽可能的落入所要求的长方形区域,且仍有比较高的 利用率。由图 3 可以得知,透镜曲线与式(6)中的参数有关。本文研究 y 方向的 透镜母线设计,在 y 方向,使道路矩形外部分光线折射到所要求的矩形区域内,而 在 x 方向,使光线自然投射。根据式(6)可以提取的参数有:r,s,h,其中照射高度 h=10m,由于透镜不能过 大,r 值不能过大,选取初值 r=35mm,LED 的出光角 度为 60,即 (30,90), 取 =50,要求照射的路宽为 10m 左右,即 s 值在 5m 左右,选取 s=6m 进行设计,根 据式(6)计算出该点透镜曲 线的斜率,解得=122.7,通过 MPN 三点绘制曲线,构 建透镜,导入光学软件。LED 光源在 10m 高的照度分布模拟如图 6 所示。选取 y 方向边缘照度 2.5lx 附近的区域,该光学系统照射宽度约为 14.2m,y 方向边缘照度最大值为 2.65lx,照射面积为一椭圆形,已近似为一长矩形,基本达到了理论设计的期望目 标,下面利用这组参数,在参数附近取值,进行正交优化分析。r:在 35mm 附近均匀的取 3 个值,分别为 30,35,40mm;:在 50附近均匀的取 3 个值,分别为 45,50,55;s:在 6m 附近均匀的取 3 个值,分别为 5,6,7m。建立正交表 L9(3),取前 3 列,得到相应的正交表及试验结果,见表 1。在表 1 中考察了 3 因素 3 水平对 LED 光源照射到路面的状况,主要参考值为 经透镜后路面形成的在边缘要求照度范围以内的 光斑宽度,其次参考路面照明 形状、平均照度和最大照度等各个因素。参照表 1 可以看出参数 r 对光斑宽度 的影响最为重要,是主要因素,而 和 s 影响较小,为次 要因素。由结果分析表 得到各因子的优化组合为 r=30mm,=55,s=5m,构造曲线,透镜造型如图 7 所 示,y 方向的透镜曲线如图 8 所示。把三维透 镜模型导入光学软件 LightTools 中,得到照度分布模拟如图 9 所示，通过对图 9 进行分析可以看出 x 方向投射变 长,图 8 透镜在沿 y 方向的曲线设计图 9 路面照度分布模拟（H=10m）y 方向远离中心处的光线颜色接近红色,表明照度较低,右照度数值在 2lx 以下。在 x 轴方向,边缘照度为 3.66lx,y 轴方向边缘照度为 2.74lx, 在此区域 内,照射长度为 40m,宽度为 10m,照射形状为一长方形,达到了设计前的要求。把 光斑照度值导出(取网格划分为 1111,保留 2 位有效数字)见表 2,可知最大照度达到了 23.23lx,在此区域平均照度达到了 8.11lx, 平均照度值基本达到了城市道路标准中关于水泥混凝土次干道路的照明要 求, 均匀度为 0.31。通过该光学透镜,把原来的由 LED 光源形成的圆形光斑变成了 矩形光斑,最大照度、平均照度都有了很大的提高,达到了国家道路次干道 路的 照度标准。3 3 结论结论本文提出了集成大功率 LED 路灯配光的自由曲面透镜设计方法。已知光源 发光特性以及所需路面的照明要求,给出了一组可计算透镜母线上的点的数学方 程,通 过有限个点构建透镜曲线,避免了点拟合失真,降低了设计难度。利用优 化方法得到了所要求的长方形照明光斑透镜,且均匀性好,平均照度较高,可满足 国家路灯 有关标准。本文参数取值比较简单,得到一个比较好的结果就停止了 优化设计,由图可知,光斑宽度方向仍有少部分光线溢出,降低了能量利用率,后 续设计应对此 进行改进。若光斑对长度方向也有要求,根据该方法也可以设计。 总之,此方法实践设计较简单,工程意义大,在路灯透镜的矩形光斑改进设计中效 果明显。