LED道路照明系统的光学设计方案及发展趋势

LED道路照明系统的光学设计及进展趋势

1、ＬＥD道路照明系统的背景介绍ﻫﻫ为了满意城市道路照明设计标准,传统的道路照明灯具往往采纳耗电20０瓦以上含水银的灯泡.相比之下,到20０９年,市场上发光二极管（LEＤ)的光学效率已经超过了10０lm／W，这意味着采纳LED作光源的路灯,其耗电量将会大大的削减。由于LED的超长寿命、不含汞和节能的特性,采纳LEＤ作光源的路灯来取代传统的LPS（低压钠灯）或MH（金属卤化物灯）是很好的选择。目前,LＥＤ路灯在世界上各个国家都进行了测试。为了解决能源紧缺和温室气体的排放问题，ＬＥD路灯在一些地方已经有用化,其中中国、北美以及欧洲的一些地区和都市的政府进行了乐观的推广。ﻫﻫ由于市场上出厂的LED大部分都是呈郎伯型（Ｌaｍｂerｔiandｉstriｂutｉｏｎ)分布，中心光强比较强，而且是对称的圆形光斑分布,不能直接用于道路照明.为了满意城市道路照明设计标准，LＥD路灯需要进行二次光学设计,以产生一个长方形、均匀分布的光斑,其配光曲线需要呈蝙蝠翼的外形。另外,光学设计的好坏直接决定了LＥD路灯的效率，有的LED路灯加上了设计不好的二次透镜之后，有些光在透镜里面多次反射后损耗掉了或者是不能配到有效的区域，有些二次透镜虽然光斑外形和均匀度都可以，但出光效率却降低了将近一半。还有，光学设计的好坏也均定了ＬＥD路灯有无眩光,有的设计得不好的透镜,虽然也可以产生一个长方形、均匀分布的光斑，配光曲线也可以呈蝙蝠翼,但由于没有采纳截光设计，导致沿道路方向75～９0范围的出射光还是很多，这样就会给远处的车辆或行人造成眩光。

ﻫ好的光学设计应充分利用LED光源面积小这一优点,充分考虑光的利用率，将全部从LＥD芯片发出的光都安排到路面上，形成一个均匀度好、无眩光、配光曲线呈蝙蝠翼的光斑。本文将基于这些因素来探讨ＬＥＤ道路照明系统的光学系统设计及进展趋势.ﻫﻫ2、自由曲面二次光学的设计方法ﻫﻫ由于道路照明要求路灯的光斑是长方形,在垂直于道路的方向，其出射的光束是会聚的，而沿着道路的方向，其出射光束是发散的，并且有一个很大的视角.对于这种一个方向是会聚而另一个方向是发散的配光，那么所对应的透镜,其在垂直于道路方向的剖面应该是个正透镜，而沿着道路的方向的剖面应该是个负透镜,所以透镜的整体可以用一个不规章的自由曲面来表述。ﻫﻫﻫﻫﻫﻫﻫ利用上述的(1）～（9)关系式，结合曲面掌握网格的节点法线矢量的匹配法，可以计算出曲面上各个点的法线矢量，从而得出各点的轮廓线，进而构成完整的自由曲面。简略的曲面掌握网格的节点法线矢量的匹配法如以下所述：

ﻫﻫ

当曲面建模完成之后，将透镜的3维模型输入到光度分析软件例如LｉghｔTｏols［4]中进行光线追迹和光度分析，图５为透镜的计算机模型及光线追迹，这里模拟采的LＥＤ模型为光通量

ﻫﻫ图8为整个LEＤ灯头的计算机建模及光线追迹。由于长方形光斑及蝙蝠翼配光曲线的配光早已在单颗透镜上实现，灯头的结构只要把这些二次透镜模组依据相同的方向排列组装在PCB上即可，这样使得LED路灯的散热比较容易实现。只要这些透镜模组的方向全都，PＣＢ板的外形可以是个种各样的，譬如椭圆形、长方形、星形、花形或动物形,不影响整体灯头的配光结果。ﻫLEＤ灯头在１２米远处的光斑外形和照度分布如图９所示，图１0为此灯头的光强的远场角度分布,由图中可见，整灯的光斑外形及配光曲线的外形同单颗透镜是一样的，不同的是整灯的照度值和辐射强度值依据LＥD数量多少乘一个比例。ﻫﻫﻫﻫ3、LEＤ道路照明系统的光学技术的进展趋势ﻫ由于所谓的二次光学是在加在LEＤ原有的一次光学透镜之上的用来配光的二次光学透镜，二次光学和一次光学之间或多或少的总存在一些耦合损耗的不利因素。随着封装技术和精密注塑成型技术的进步，用来配光的二次光学和LED芯片可以直接封装在一起，以消除这部分的耦合损耗，即直接在一次光学透镜上作配光.将来LED路灯的配光的趋势有以下两种：ﻫﻫ3。1直接在一次光学透镜上作配光ﻫﻫ由于直接在LＥD的一次透镜上面完成了配光设计,单个LED光学模组的尺寸大大的减小，并且大大削减了二次光学透镜所带来的光效上的损耗,从而可以大大简化ＬEＤ路灯的装配机构。

ﻫ图13单颗LＥD模组的光线追迹ﻫ一次光学透镜的曲面计算采纳同上述的二次光学透镜的曲面一样的计算方法,计算结合了边缘光学原理以及曲面掌握网格的节点法线矢量相匹配的方法,曲面的各网格线的轮廓经计算之后，再利用３维造型软件蒙上蒙皮，填充后生成透镜实体。一次透镜的建模完成之后,再将ＬED光学模组的实体输入到ＬighｔToolｓ软件中进行光线追迹如图１3所示。ﻫ为整灯的建模及光线追迹，由于没有尺寸较大的二次光学,灯头的结构变得比较简洁而且尺寸可以做得比较小（在散热允许的条件下）。灯头的组成只要把这些ＬED模组依据相同的方向排列组装在ＰCＢ上即可。ﻫＬEＤ灯头在1２米远处的光斑外形和照度分布如图17所示，图18为此灯头的光强的远场角度分布,由图中可见,整灯的光斑外形及配光曲线同单颗透镜是一样的，不同的是整灯的照度值和辐射强度值依据LED数量多少乘一个比例。ﻫ

3．2一次光学配光透镜的模块化

ﻫ除了采纳分立的二次和一次光学透镜,透镜的配光可以采纳模块化的设计,由于透镜采纳了模块化的设计，不同数量的模块可以组成不同规格和不同输出功率的符合不同等级道路照明设计要求的路灯。另外透镜模块除了配光的作用之外,还兼顾了防水、防尘,可以直接暴露在外，从而可以省去了最外面的玻璃灯罩，避开了玻璃灯罩所附加的菲涅尔损耗。另外模块化设计的一次配光透镜，由于每个透镜单元的尺寸及透镜单元之间的间距比较小，每个透镜单元可以使用小功率的LED芯片,以解决散热所引起的光衰的问题。

4、结论ﻫ本文探讨了一种LED路灯的自由曲面透镜的设计方法,透镜曲面的设计结合了边缘光线原理及曲面掌握网格的节点法线矢量的匹配法，设计出来的二次光学透镜的均匀度较好，配光曲线呈蝙蝠翼分布。ﻫﻫ由于二次光学和一次光学之间或多或少的总存在一些耦合损耗的不利因素。随着封装技术和精密注塑成型技术的进步，用来配光的二次光学和ＬEＤ芯片可以直接封装在一起，以消除这部分的耦合损耗，直接在一次光学透镜上作配光是一种趋势。另外透镜的模块化也将是配光技术的一种趋势,由于透镜采纳了模块化的设计，采纳不同的模块可以组成不同规格和不同输出功率的符合不同道路照明设计要求的路灯.另外透镜模块除了配光的作用之外,还兼顾了防水、防尘，可以直接暴露在外，从而可以省去了最外面的玻璃灯罩，避开了玻璃灯罩所附加的菲涅尔损耗。ﻫ参考文献ﻫ[1]WiｌlｉamＷhｅｗeｌl，ＨｉstｏryｏｆthｅIｎｄucｔiveＳciencｅfroｍｔheＥarlｉｅsttotｈePｒeｓeｎtTiｍeｓ,Lonｄｏｎ，JｏhｎＨ.Parker，18３7．ﻫ［２]ＨaｒａldRｉｅsandＡriRabｌ，Ｅdgｅ-ｒaｙpｒｉnｃipｌeoｆｎoniｍａｇinｇoptｉｃｓ,Ｊ。Opｔ.Ｓoc。Am。A,1１(1０)，1994，2627—2６３2。ﻫ[3］Ｗｏlf,K。B.，Geometｒy