LED路灯的二次配光

LED路灯的二次配光摘要随着LED灯的效率大大提高，LED迅速进入商业照明市场，逐渐取代传统光源，成为21世纪的主要光源。LED强劲诱惑，主要厂商纷纷投资LED行业。本文将使用TracePro软件设计具有二次分布的LED灯的窄光分布，并通过实验测试来说明LED照明设计应用中的仿真软件。关键词：LED路灯、TracePro软件设计、二次配光、仿真软件AbstractWiththeLEDlightefficiencygreatlyimproved,LEDquicklyenteredthecommerciallightingmarket,andgraduallyreplacethetraditionallightsource,becomethemainlightsourceofthe21stcentury.LEDstrongtemptation,themajormanufacturershaveinvestedinLEDindustry.ThisarticlewilluseTraceProsoftwaretodesignanarrowlightdistributionofLEDlightswiththesecondarydistribution,andthroughexperimentalteststoillustratethesimulationsoftwareinLEDlightingdesignapplications.Keywords:LEDstreetlight,TraceProsoftwaredesign,secondarylightdistribution,simulationsoftware目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 1\o"CurrentDocument"Abstract 1.\o"CurrentDocument"引言 3\o"CurrentDocument"LED路灯配光的特点和要求 3\o"CurrentDocument"LED路灯配光形状特点 3\o"CurrentDocument"道路照明标准配光要求 4\o"CurrentDocument"3LED路灯的配光曲线 .4\o"CurrentDocument"LED二次配光透镜 5\o"CurrentDocument"LED二次配光透镜的分类 6\o"CurrentDocument"LED透镜材料的种类及其优缺点 6\o"CurrentDocument"二次透镜使用环境及要求 6\o"CurrentDocument"二次配光透镜的设计、加工与生产 7\o"CurrentDocument"小结 7\o"CurrentDocument"LED路灯配光方案及分析 8\o"CurrentDocument"LED路灯的二次配光 8二次配光设计 9TracePro 9\o"CurrentDocument"仿真设计 10\o"CurrentDocument"实验测试 15\o"CurrentDocument"结果分析 16\o"CurrentDocument"总结 16\o"CurrentDocument"参考文献 18\o"CurrentDocument"致谢 18引言LED（发光二极管）是21世纪竞争激烈的新型固体光源。与传统光源相比，LED寿命小，能耗低，控制灵活。在道路照明方面，随着白光LED技术的发展，单个LED光通量不断增加，LED取代传统的LED灯光源将成为一种趋势。光源在光强分布的方向是光分布.LED路灯是尽可能使光线照亮道路的各个区域，符合道路照明配光要求，LED路灯设计准确到位是LED路灯照明系统设计研究未来取代传统路灯LED路灯照明的关键因素之一，具有重要意义。LED路灯配光的特点和要求LED路灯配光形状特点在道路照明中，如果没有LED光源灯，路面上的光线较大的圆形斑点，会有部分光线散落在道路外不用，如图1(a)所示所示。为了满足路面亮度，照明，均匀性要求，尽可能使大部分的光分布在路面，提高光的利用率，减少不必要的浪费，通常需要LED灯与LED，LED灯光照射对路灯的光线形状或光线的输出更好，如图1(b)所示。(a)未经配光 (b)经配光后图1LED路灯配光示意图道路照明标准配光要求根据城市道路照明设计标准要求，道路路灯分为高速公路和主干道，二级公路，防滑路，LED路灯照明标准值应符合表1的规定。表1道路照明标准值路面亮度路面照度眩光限制阈级别道路类型平均亮度总均匀度纵向均平均照均匀度值增量环境比LavUo匀度UL度Eav(lx)UET1(%)SR(cd/m2)最小值最小值维持值最小值最大初始值最小值快速路、主干路1.5/2.00.40.720/300.4100.5次干路0.75/1.00.40.510/150.35100.5支路0.5/0.750.48/100.315目前LED路灯研究主要集中在二次路和分支应用中，光通量小的LED灯不能用于主路上的主要原因。主干道的应用尚未成为LED技术的研究与开发。.3LED路灯的配光曲线光强度的空间分布通常被称为光分布曲线。在路灯的底部，光强应该是最小的，随着仰角的增加，我增加了光的强度。函数关系为I=-I0-，即光分布曲cos0线。道路照明单光理想的光分布曲线如图2所示。由于光学设计的复杂性，光分布难以完全满足关系的功能，可以减小投影角度的范围，减少距离灯具要均匀照明。一般来说，希望在蝙蝠翼光的分布后实现广角。图2理想配光曲线LED二次配光透镜LED作为新型绿色节能长寿命光源已被广泛应用于许多领域，特别是在已经开始取代传统光源的照明领域，也呈现强化趋势；LED芯片理论是闪光360°，但实际上芯片放置在LED支架上是固定和封装的，所以芯片的最大光角为180°（超过180°的范围也有少量残余光），其他芯片会有一些杂散的光线，所以通过透镜可以有效地收集所有的光线，可以是180°，150°，120°，90°，60°等，但是由于选择了LED灯芯，所以发光角度必须适用于各种领域的配光效果；照明设备，加上配光镜两次，提高配光，达到不同照明效果的要求;对于配光LED光源的长寿命和高性能，二次透镜材料的选择也提出了高要求。LED二次配光透镜的分类（1）穿透式（凸透镜）。（2）折反射式（锥型或杯型）。（3）透镜模组。通过注塑成型将单个镜头的数量变成一个整体的多头镜头，根据不同的需要可以设计成四合一，八合一，甚至数十个单镜头模组，在这个阶段陕西火焰组火焰白最广泛用于16合1镜头;这种设计可以有效节省生产成本，产品质量达到一致，节省夹具空间，更容易实现“大功率”等。LED透镜材料的种类及其优缺点到目前为止透镜材料主要有以下几种：硅胶透镜；PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）；PC（聚碳酸酯）；玻璃透镜。（1）硅胶透镜。由于固态硅胶加工不良，学生的周期要比较长，所以应用更普遍的是硅胶。①由于硅胶高温（也可回流），常用于直接封装LED芯片。体积小，直径310mm，结构尺寸较大时，不适合液体硅胶镜片材料，紧固加工使用有问题;（2）PMMA透镜。①光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗称：亚克力）。②塑料材料，优点：生产效率高（通过注塑，挤出）；透光率高（3mm厚度93%）缺点：温度不能超过80°（热变形温度92°）。PC透镜。①光学级聚碳酸酯（PC）聚碳酸酯。②塑料材料，优点：生产效率高（通过注塑，挤出）；透光率略低（3mm厚度约89%）；缺点：温度不能超过110°（热变形温度135°）。（4）玻璃透镜。光学玻璃材料，优点：透光率高（3mm厚度渗透率97%）,耐高温特性;缺点：重量大，体积小，易碎，批量生产不易实现，生产效率低，成本高。生产设备价格偏高，短期内难以普及。目前，行业二次配光镜以主要生产方式，综合价格和生产考虑因素，主要采用PMMA和PC材质镜片，以下全文基于上述两种材料的不同要求比较。二次透镜使用环境及要求根据灯具的使用环境不同主要分为以下几种环境：（1）室内灯具透镜。室内照明镜片主要以光透射，热稳定性，密度，折射率均匀性，折射率稳定性，吸水率，浊度，最高长期工作温度等要求严格;对于室内照明灯一般使用环境温度相对恒定，室内温度为20℃（除高温环境外），LED照明温度控制要求在85℃以下，灯泡和镜头直接接触点温度控制在75℃以下。（2）室外灯具透镜。户外照明主要用于透光，热稳定性，密度，折射率均匀性，折射率稳定性，吸水率，浊度，最高的长期工作温度，对UV（UV）和砂也有较高的要求;对于户外照明，夏季户外温度一般较高，当地温度可达40℃左右，再加上户外照明功率一般较大，室内灯和镜头接触部分温度会较高;灯芯技术的发展，为了满足灯具寿命的前提，LED灯芯温度现在可达125℃左右，所以灯罩和镜头接触温度在最高环境温度可以达到110℃左右。二次配光透镜的设计、加工与生产在这个阶段，相应的镜片产品的设计和生产，只需要选择合适的颗粒，直接注塑成型即可获得所需的产品。根据材料表的物理性质可以看出，PC材料和PMMA材料除了通过光线之外，材料可以看出，材料的物理性能可以看出，速率和热变形温度，其他指标可根据不同材料选择进行相应的设计预调和调整，可用于满足PC材料透光率88%,温度不能超过110℃,PMMA材料通过光率93%,温度不能超过80℃。作为照明产品，最重要的性能是灯的发光效率（光效）和产品的可靠性，镜头材质的质量将直接影响灯的效率，LED将会有5%的效率会有对灯具的质量影响很大。这两种材料都是直接注射成型机注塑，生产设备要求，以及生产难度，价格成本基本一致;唯一的区别是未来固定模式选择的镜头也会影响镜头材质。目前LED的固定方式主要是胶粘和螺丝固定，可以使用胶水，PC和PMMA材料；但是对于螺丝式固定，由于PMMA材料镜片更脆，特别是薄壁透镜，一些力会从镜头出来，所以壁厚和固定方式的渗透性将对选择产生影响的材料。当环境温度低于80°C时，透光率高。（PMMA）当最高环境温度高于80°C时，必须使用具有高温PC材料的透镜。小结在这个阶段的LED二次透镜材料主要是PC和PMMA两种，根据每个灯的要求和使用环境选择合适的镜片材料是灯可靠性的必要保证。希望随着科学的发展，二次配光镜可以更加实惠的材料。LED路灯配光方案及分析LED路灯的二次配光LED灯在大功率LED中使用透镜或反射镜进一步改变输出光学特性，即二次配光LED灯。LED路灯的二次配光主要有以下几种情况。采用全反射透镜LED二次配光。光从相对光密度指向相对光稀疏介质，并且当入射角大于临界角时，可以发生全反射。使用这个原理，设计了轴对称全反射透镜。例如，将光束角度改变为30°的范围，这有利于进一步的光分布设计。全反射透镜如图1所示。图3全反射透镜采用自由式透镜LED路灯的二次配光。在该设计中，使用在XY轴方向上具有不对称矩形光分布的自由表面光学元件。例如，在X轴上产生均匀的光分布，以满足道路长度的照明要求，并且在Y轴上产生均匀的光分布，以获得具有矩形的LED蝙蝠翅翼光在设计中，通过包含微分方程方法，多参数优化方法，多表面同时设计方法和剪切方法，获得照明目标的光分布和照明表面的要求。自由曲面透镜如图1所示。图4自由曲面透镜使用外部镜头和反射器LED二次配光。选择适当的镜头和抛物面反射器，使出射光符合某个切口透镜，并将反射镜组合，如图5所示。图5外置透镜和反光器的LED示意图3.2二次配光设计3.2.1TraceProTracePro是为美国的LambdaResearch开发的基于蒙特卡洛的非顺序光线跟踪软件，主要用于照明设计和杂散光分析.TracePro构建了具有实体物体，反射，

折射，散热，吸收和衍射的光学系统行为模拟光和固体表面的作用，在LED配光设计中占有重要地位。TracePro中照明设计的一般流程如图6所示。本文将通过以下过程使用LED光源PAR20灯（以下简称PAR20）反光杯设计。图6TracePro设计的一般流程3.2.2仿真设计目前常用的LED二次配光装置可分为透镜，反光杯和折叠板。反光杯设计时，需要注重反射面反射率，反光面经常涂上金属材料，各种材质如反射如表2所示（试验中垂直入射光波长589.3nm）。金属铝在整个红外到近紫外区具有很高的反射率，是反光元件反射照明的理想选择。表2常用金属材料光学性能材质银金铝水银铜镍（蒸发态）反射比0.950.850.830.730.700.43

折射率0.180.371.441.620.641.30反光杯根据基体材料可分为金属反光杯，塑料反光杯和玻璃反光杯，性能如表2所示。金属反光杯可旋转，冲孔抛光工艺完成，变形记忆，常用于灯具照明要求低;塑料反光杯可以通过剥离完成，光学精度高，无变形记忆，常用于照明要求较高;玻璃反光杯具有光学精度高，无变形记忆，但其密度易破，常用于高品质产品不需要移动，如电影放映机，探照灯等。表3常用反光杯性能对比反光杯类型成本光学精度耐温性散热性抗形变抗冲击重量金属反光杯低低高好差差中塑料反光杯中高中差好好轻玻璃反光杯高高高中好差重本段PAR20灯采用亨德森1W大功率LED光源（共4台），额定光通量为80LM,光谱分布曲线如图7所示。半强度角设计要求为20°30°，二次光分布的理论角为25°。由于角度要求较高，反光杯设计为电镀级ABS基板，表面采用真空铝处理。图7LED光谱图和一次配光曲线图7LED光谱图和一次配光曲线根据可逆光路的原理，并用SOLIDWORK软件调整反射杯的几何模型，总线采用多段曲线设计，结果如图8所示。我们知道LED的热平衡效率约为90%，即在反射杯重新分配能量后约为总热平衡的90％。根据LED光谱和光分布曲线（图7）,在TracePro软件中定制光源特性，并给出LED发光面的光源特性（LED物理排列结果如图8所示）总光量为120万，比例系数设定为热效率0.9。这种设计主要关注光和光斑的光分布，为了获得更均匀的光，反射面由太阳图案处理。参数设置完成光线跟踪后，为了分析，总体光量为0.1％显示，结果如图9所示。极坐标系和笛卡尔坐标系的极坐标系为如图1所示。10，11。半强度角约为26.2°。2米处的中心照度约为138.3lux，）如图12所示。图8反光杯模型Me土30328002BOO22W—加DO—18W—16O(M14CK)1100Q-600-^皿7・“Kl4jEl=E-A20 -15WE0 5 10IS20K(milimters)事小值203mo09, 3&1S,3,平内值7MT5±1小£也■nnuxiJDuj心通■任研*通■nncjumn口口li jf++图9LED的排布图10光线追迹结果（总光线量的0.1%）图11配光曲线（极坐标系）中LWgrtnWi1 BMn蜗BTsURta小■图12配光曲线（笛卡尔坐标系）Tm・Mvwc/*，］iDfMClMa&F4C4I GwdiW4图132米处辉度图（仿真）3.2.3实验测试整个灯具经过模具加工，组装完成（图9）和实验室进行轻型试验，测试设备为杭州远光光电信息有限公司GO1900L配光曲线试验系统，配光曲线如图10所示，中心光强度539.8cd，等效总光通量约235.4lm;使用照度计TES-1366A（台湾泰西）的记忆用于照明测试，2米中心照度约为133.7lux，白光对准后点亮的灯光照明，亮度图（点）如图1所示。图14反光杯安装情况（取掉透明灯罩）图1