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    以LED路灯为例探讨LED灯具的光学设计


    一、背景

    LED(发光二极管)技术的发展开辟了照明技术革命的新时代。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光源实际已经可以做到每瓦130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60颗1W的LED就可以产生相同的亮度,从而极大地节省了能源的消耗。由于大部分LED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%的光散落到道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。

    传统的LED路灯均采用二次光学透镜做配光,那么中间至少会增加两个面(即会增加两个面的菲涅尔损耗),而且二次透镜的尺寸要做的比较大,加上透镜材料本身对光的吸收,这样一来,整个系统的出光效率将会受到较大影响。

    二、配光设计

    我们采用把二次光学和一次光学整合在一起的思路,直接和芯片封装在一起(即直接在一次光学透镜上做配光),中间将会省略很多环节,最大限度的减少光能损耗。一次光学透镜的曲面计算结合了边缘光学原理以及曲面控制网格的节点法线矢量相匹配的方法,以下我们所讨论的一次透镜,其配光的角度和二次透镜一样,均为X方向130°,Y方向65°(其中X方向为沿道路方向,Y方向为垂直于道路方向),透镜的材料为PC,配光曲线以及均匀度按照国家道路照明设计标准进行设计。一次透镜的设计原理如图1所示。


    垂直于道路方向的光束角同样为±32.5°(左边剖面图),沿道路方向的光束角为±64°(右面剖面图)。在垂直于道路方向,其出射的光束是会聚的,其边缘光线与光轴的夹角为32.5°,所有出射光线的反向延长线交于虚焦点F;而沿着道路方向,其出射光束是发散的,其边缘光线与光轴的夹角也为65°。透镜底部有一凹陷的球面用以填充硅胶,用以将透镜和LED芯片直接封装在一起,硅胶选取折射率最接近一次透镜的材质,以便芯片发出的光透过硅胶进入一次透镜后其传播方向保持不变。

    三、配光计算

    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。

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