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自由曲面的LED路灯透镜的设计.pdf

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.44M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    第23卷第5期 2008年10月 液晶与显示 Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays VoL 23，NO．5 0ct．，2008 文章编号：1007—2780(2008)05-0589—06 自由曲面的LED路灯透镜的设计 (香港理工大学工业及系统工程学系先进光学制造中心，香港九龙，E—mail：jilishi_optics@yahoo．com．on) 蒋金波，杜 雪’，李荣彬 摘要：LED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模组上完成。整体路灯只需要将这些LED模组阵列按照相同方向简 单地排列即可，从而可以简化路灯机构、散热及控制电源的设计。介绍了LED路灯的光学设 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：LED路灯；自由曲面；二次光学元件；配光；道路照明；散热 中图分类号：TM923．34；0435 文献标识码：A 1 引 言 由于大部分LED光源的辐射角分布为110"--" 120。的郎伯分布，如果没有经过配光，照在地面上 发光二极管(LED)技术的发展开辟了照明技 的光型将会为面积较大的圆型的光斑，约50％的 术革命的新时代。由于LED具有体积小、寿命 光散落到马路之外没有被利用起来，而且会对远 长、电光效率高、环保节能等诸多优点，使得LED 处的车辆或行人产生眩光，与路面照明的要求不 路灯照明技术在最近几年得到了迅速发展。目 符，如图1(a)所示。《城市道路照明设计标准》要 前，市面上单颗LED光源实际已经可以做到了 求路灯的配光为长方形的光斑，将几乎所有的光 100 lm／w，采用传统250 W高强度气体放电灯 都分布在路面上，如图1(b)所示[1]。对于主干道 作光源的路灯，用LED光源代替之后，大概只需 还需要采用截光型或半截光型的配光设计，一方 要60多颗LED就可以产生相同的亮度，从而极 面可以提高光的利用效率，另一方面还可以避免 大地节省了能源的消耗。 产生眩光。 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 的两种是： 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，在道路方向产 生一个长方形的光型分布。图2和图3为弧形排 列的一个LED路灯的设计，路灯采用了72颗高 功率LED，单颗LED的输出光通量为60 lm。透 镜设计采用轴对称的全反射——投射结构，先将 郎伯分布LED光源的光准直，然后再通过透镜上 符合城市道路照明设计标准的光型 图1未经过配光(a)及经过配光(b)的路灯 Fig．1 Light distribution of LED streetlight without opti— cal design(a)and with optical design(b) 收稿日期：2008—03—17；修订日期：2008—06—26 *通讯联系人，E-maillmfsto@inet．polyu．edu．hk；sandy．to@inet．polyu．edu．hk ˝ • ‰ ˚
    590 液 晶 与 显 示 第23卷 图2采用弧形排列的LED路灯实物及设计方案 Fig．2 Product pictures and design solution of arc—arranged LED streetlight 图3单个LED模组的配光设计 Fig．3 Optieal design of LED TIR lens module 表面的凹形非球面扩散，形成土27．5。的光度分布 具有长方形配光的LED模组简单地排列在一个 (在10 m高处覆盖约2．5个车道的宽度)。LED 平板上即可，这种LED路灯在机械结构、散热及 透镜模组再排列在一个弧面上，弧面方向形成 ±60。左右的配光，于是在10 m的高度产生长度 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 约35 m，覆盖2．5个车道，宽度约为8 m的方形 模组即可。由于配光为长方形非对称的分布，较 的光型。 为简单的轴对称的全反射透镜无法实现，需要采 这种LED路灯的二次光学元件(透镜或反光 用非对称自由曲面的透镜，透镜的设计和加工工 杯)的设计和加工较为简单，引入全反射透镜可以 艺比较复杂。这里将重点介绍这种自由曲面透镜 最大可能地提高光的利用效率，透镜需要产生一 的设计。 定的角度分布足以在要求的高度位置覆盖住所需 由于一般的光学软件(如Zemax，。CodeV等) 的道路宽度即可，而道路方向的配光则通过LED 针对自由曲面的优化设计方法不够成熟，设计一 排列的弧面来调整。不利因素是弧形的排列使高 个非对称的自由曲面需要花很多的时间用手工不 功率LED的散热板设计和灯头的结构设计较为 断反复地调整和设置操作参数，一个比较复杂的 麻烦。 第2种是平面排列的LED路灯。LED路灯 自由曲面往往需要多达一个月甚至几个月的时 间，有时所设计曲面，其光学效率还不理想。这里 的设计采用了Xy方向非对称长方形配光的自由 曲面光学元件(透镜或反光杯)，长方形的配光直 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 接在单个LED光学元件上完成，整体路灯只需将 算方法，可以在较短时间内(一般为几个小时甚至 ˝ • ‰ ˚
    第5期 蒋金波，等：自由曲面的LED路灯透镜的设计 591 图4边缘光线的扩展度守恒 Fig．4 Etendue conservation with edge ray 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。 边缘光线的扩展度守恒原理如图4所示，它 结合了边缘光线原理[2]及光源的扩展度守恒 (Etendue Conservation)[3]。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 图5 自由曲面上筋和肋的节点法线矢量 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 恒原理可以由公式(1)来表示： E一，z小AcosodO E 2／,／2A。np耐一7c以2A。sinz巩／2 ElM,D(∑。)]=ElM,D(乏；)]一 圹．牝c。sOdO= d_rdydpdq+dxdzdpdr+dydzdpdr M4D(∑R) 式中：E为光束扩展度，0为立体角，E[M。D (∑。)]为输出光束的扩展度，E[MjD(∑i)]为输入 (1) Fig．5 Normal vectors of node points of the ribs and spines in a freedom surface 光束的扩展度。 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 m，路灯间隔40 m， 路面宽12 m(3个车道)，即路灯需要在路面上产 生40 m长、12 m宽的方形光斑。根据这个要求， 需要设计在X方向产生土60。内均匀分布的配 光，在y方向产生土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 度守恒方法设计的自由曲面透镜。 透镜的控制网格的节点法线，根据边缘光线 扩展度守恒原理，以及斯涅尔(Snell)折射定律， 有公式(2)的关系，式中N为法线矢量，A为入射 光线矢量，A7为出射光线矢量。 jv—Nxi+N。J+N2是； A=Azi七A。j七A，k；Al—B。i+B。l七B童 A，一B。 妊小1下]i召 一 ：=-------·--—----=--·——-----J二-——--·—-一 再、^XF硼 垒：=里： A：一B。 厄、瓜百F=i习 仨 ˝ • ‰ ˚
    592 液 晶 与 显 示 第23卷 Fig．6 Lens shape and the light distribution principle along X and Y directions 图6透镜实物及配光原理 A 2一A：+A：+A： A·A7一A，B。+A，B。+A：B： (2) 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。模 拟结果如图8所示，路灯在X方向士60。内、在y 方向±30。内的路面上产生非常均匀分布的配光。 路灯模拟采用的高度为12 m。路灯的远场角度 图7透镜控制网格的法线及入射出射光线 Fig．7 Normal vector and the incident ray of the freeform lens surface control net 图8自由曲面LED透镜路灯模拟结果 Fig．8 Simulation results of LED streetlight assembled by freeform lenses ˝ • ‰ ˚
    第5期 蒋金波，等：自由曲面的LED路灯透镜的设计 593 分布为蝙蝠翼形，辐射强度X方向的峰值约为 士60。，辐射强度y方向的峰值约为±30。，如图9 所示。路灯的光型如图10所示，实物照片如图 11所示，路灯光形测试结果通过国家城市道路照 明设计标准CJJ45-91 3 结 论 介绍了两种LED路灯的配光设计，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， 创建了一套自由瞳面控制网格的节点矢量的精确 计算方法。使透镜在X方向产生土60。内均匀分 Fig．9 Light intensity hr field angle distribution of LED Pmdiant angle／(o) 图9 LED路灯的远场角度分布 streetlight along X and Y directions渤幽眨 f犷r粼霹愈＼ 匿誉晕—— —々葛啊二曼；：；二 ；；；-一一 ‘尝i誊= 图10 LED路灯光型图 Fig．10 Light pattern at 12 m height of LED streelight 图11采用自由曲面透镜的LED路灯实物照片 Fig．1 1 Product picture of LED streelight made up by 布的配光，在y方向产生±30。内均匀分布的配光 freeforln lenses 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Es3．北京：中国建筑工业出版社，2007：7-12． [2]Ries Harald，Rabl Ari．Edge-ray principle of nonimaging optics[J]．．，．Opt．Soc．Am．A，1994，11(10)：2627—2632． [3]Sun Xutao，Zheng Zhenrong，Liu Xu，et a1．Etendue analysis and measurement of light source with elliptical reflector [J]．Displays，2006，27(2)：56-61． ˝ • ‰ ˚
    594 液 晶 与 显 示 第23卷 Optical Design of Freeform Lens for LED Streetlight JIANG Jin-bo，To Sandy，Lee W B (Advanced Optics Manufacturing Centre，Department of Industry and Systems Engineering， The Hong Kong Polytechnic University，Hongkong，China，E-mail：jilishi_optics@yahoo．C0#2．cn) Abstract The secondary optics design is a critical issue for the output efficiency and light distribution pat— tern of the LED street light．A good roadway illumination requires the LED streetlight to have a rec— tangular light distribution pattern just cover the roadway and without any light pollution out of the road．The adoption of the unsymmetrical freeform optics with fl rectangular light distribution on X and Y is a necessary which makes the LED streetlight become very simple and high efficiency．The whole LED streetlight can be made up if only mounts these LED modules on the PCB plate．The mechanism，thermal management，and the power control electronics of the LED streetlight becomes very simple．In this paper，the optical design of the LED streetlight and the calculation methodology of a freeform optics for the streetlight was put forward． Key words：LED streetlight；freeform；secondary optics；light distribution；roadway illumination； thermal management 作者简介：蒋金波(1974一)，浙江永康人，博士，主要从事先进光学制造工作。 ’’，●I''’’'’’'’，●’'''''，'’，，’，''’'''''''’'，，''，，，，，，，''''’’’''''，’，，’，’'111-!D，''’’，，，’’’'，I●，'，，1-11, 欢迎订阅2009年《液晶与显 示》 《液晶与显示》是中国最早创办的液晶学科专业期刊，也是中国液晶学科和显示技术领域中惟一的 综合性专业学术期币l。它由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国光学光电子行业协会液 晶分会和中国物理学会液晶分会主办，科学出版社出版。 《液晶与显示》以创新性、综合性、实用性为办刊特色，内容丰富，涵盖面广，信息量大，可读性强，既 是启迪科技人员开拓创新思路的参考期刊，又是从事液晶和显示技术研究与开发的广大科技人员、大专 院校师生及相关领域的科技工作者进行学术交流的论坛，也是图书、情报等部门必不可少的信息来源。 《液晶与显示》为双月刊，国内定价30．00元，全年180．00元，国内外公开发行。国内邮发代号：12～ 203，国内读者可在当地邮局订阅；也可通过“全国非邮发报刊联合发行部”订阅(地址：天津市大寺泉集 北里别墅17号，邮编300385)，本刊的代号为：5074。国外读者可通过中国国际图书贸易总公司订阅 (地址：北京399信箱，邮编：100044)，国外发行代号：4868BM。同时，《液晶与显示》编辑部将竭诚为广 大读者服务，随时办理订阅。 地址：长春市东南湖大路16号中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 《液晶与显示》编辑部 电 话：043卜86176059．0431-84613406 邮编：130033 传 真：0431—85682346 E-mail：yjxs@ciomp．ac．cn；yjyxs@126．corn http：／／www．yejingyuxianshi．org ˝ • ‰ ˚
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