LED路燈的二次光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)

陳 加 琦, 鄒 念 育, 張 云 翠, 賀 曉 陽(yáng), 李 德 勝

( 大連工業(yè)大學(xué) 光子學(xué)研究所, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

隨著“十城萬(wàn)盞”工程的啟動(dòng)和逐步推進(jìn),國(guó)家和社會(huì)對(duì)LED路燈的要求也從理論研究越來(lái)越走向?qū)嵱没?974年Schruben提出實(shí)現(xiàn)均勻圓形照明的自由曲面反光器[1]。2002年Harald Ries提出可投射出OEC字樣的自由曲面透鏡[2]。2002年,OEC公司的H.Ries和J.Muschaweck指出可以用數(shù)值求解偏微分方程的方法來(lái)構(gòu)造自由曲面的面型[3]。他們用一個(gè)折射面將均勻強(qiáng)度的小光源發(fā)出的光在矩形均勻光斑范圍內(nèi)形成OEC公司的公司名稱而且這三個(gè)字符的亮度是背景亮度的3倍。

香港理工大學(xué)工業(yè)及系統(tǒng)工程學(xué)系先進(jìn)光學(xué)制造中心采用了邊緣光線擴(kuò)展度(Etendue)守恒的原理創(chuàng)建了一套自由曲面控制網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)矢量的精確計(jì)算方法,設(shè)計(jì)出在道路橫向(X方向)產(chǎn)生±60°內(nèi)均勻分布的配光,在縱向(Y方向)產(chǎn)生±30°內(nèi)均勻分布的配光的方形光斑的自由曲面透鏡[4],從而滿足道路照明的配光要求。

針對(duì)不同的道路應(yīng)用環(huán)境,LED路燈的配光需求也各不相同[5]。總體來(lái)說(shuō),限于光源的影響,未經(jīng)配光的LED的配光呈現(xiàn)郎伯型,直接在道路上形成的光斑為圓形,容易形成斑馬紋和造成眩光[6]。為了解決上述問(wèn)題,需要對(duì)LED郎伯型的配光進(jìn)行改進(jìn),也就是進(jìn)行二次配光設(shè)計(jì)[7],將郎伯型的配光改變?yōu)轵鹨硇汀１疚尼槍?duì)道路照明要求,在給定光源的情況下,設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單有效的二次光學(xué)透鏡,可以實(shí)現(xiàn)較好的照明效果。

1 道路照明要求

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),可以得知道路照明所要達(dá)到的最低目標(biāo),這可以作為選擇光源的參考依據(jù)和最終設(shè)計(jì)目標(biāo)。

CJJ 45—2006機(jī)動(dòng)車道道路照明要求[5]如表1所示。

表1 CJJ45—2006機(jī)動(dòng)車道道路照明要求

本文針對(duì)次干路進(jìn)行設(shè)計(jì),所需要達(dá)到的目標(biāo)如表1加粗內(nèi)容所示,結(jié)合路燈的設(shè)計(jì)參數(shù)要求,例如路燈高度、間距、燈桿臂長(zhǎng)、安裝傾角、安裝方式(單側(cè)、雙側(cè)、交叉等)、路寬、道路表面材料類型[8]等,即可確定目標(biāo)配光曲線。本設(shè)計(jì)針對(duì)的路燈安放及道路條件如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)所需路燈安放及道路條件

Tab.2 The design requiring lights placed and road conditions

路燈高度/m路燈間距/m燈桿臂長(zhǎng)/m安裝傾角/(°)95040安裝方式道路寬度/m路面材料眩光指數(shù)/%單側(cè)8R3<10

其中R3表示對(duì)干燥路面的分類,R系列是歐洲國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn),一般我國(guó)也采用R類標(biāo)準(zhǔn)。R3類標(biāo)準(zhǔn)是指瀝青混凝土路面,所含的礫石尺寸大于10 mm,紋理粗糙如砂紙并已磨亮。本文設(shè)計(jì)的路面為R3類。

根據(jù)表2可以確定長(zhǎng)軸和短軸對(duì)應(yīng)的角度分別為70o和30o。

除了上述參數(shù)以外,考慮到司機(jī)和行人對(duì)道路光色要求偏向暖白光,而且霧天的氣象狀態(tài)要求光線的穿透力要強(qiáng),這也要求光線譜線盡量靠近黃色光譜。路燈的色溫選擇向暖白光逼近。

2 光源選取

光學(xué)透鏡的常用材料有硅膠透鏡、PMMA透鏡、PC透鏡和玻璃透鏡等。

綜合考慮透光率、生產(chǎn)效率、制造難度、耐熱性和加工成本等因素,透鏡一般采用PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯,俗稱亞克力)材料,其透光率為93%。根據(jù)目標(biāo)的光通量7 200 lm,可以計(jì)算出光源的光通量需要7 741 lm。下面給出一種符合要求的光源選取方案。

選取Glory Sky公司的GS100的大功率白光LED,功率為100 W,色溫5 500～6 000 K,光通量為7 800～8 200 lm,發(fā)光角度為半平面180°郎伯型發(fā)光,發(fā)光面大小為26.4 mm×26.4 mm,厚度為1 mm,發(fā)光面上均勻排布了10串5并的LED光源體。

為了使設(shè)計(jì)更具有針對(duì)性,測(cè)得LED實(shí)際的配光曲線,如圖1所示。此光源大致符合郎伯型的配光分布,和目標(biāo)配光一樣,繪制在直角坐標(biāo)系中。

圖1 郎伯型LED配光曲線

3 透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)路燈的設(shè)計(jì)思路是環(huán)帶系數(shù)法。環(huán)帶系數(shù)法是在已知光源配光和目標(biāo)配光的情況下,采用合適的角度劃分,將目標(biāo)燈具配光曲線分成一系列的環(huán)帶,每一環(huán)帶都有對(duì)應(yīng)的環(huán)帶系數(shù),對(duì)應(yīng)光源也劃分成一系列的環(huán)帶。計(jì)算出燈具出射光分布中各環(huán)帶內(nèi)的光通量(環(huán)帶內(nèi)光通量=光強(qiáng)×環(huán)帶系數(shù))及燈具的出射總光通,以及光源各環(huán)帶內(nèi)的光通量及光源的出射總光通,找出光源劃分角和燈具出射角之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,根據(jù)此對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算母線。

環(huán)帶系數(shù)法適用于求解傳統(tǒng)燈具的反射罩母線,其對(duì)應(yīng)的是中心對(duì)稱的情況。整體的反射罩可以通過(guò)對(duì)母線進(jìn)行單軸旋轉(zhuǎn)形成。

本文設(shè)計(jì)的二次光學(xué)系統(tǒng)為空間非對(duì)稱,僅有一條母線不足以產(chǎn)生文中需要的自由曲面。為了保障在正交的兩個(gè)方向上都得到均勻的照度分布,并且兩個(gè)方向上各自取任意一點(diǎn)處的照度也要相等。因此需要把環(huán)帶吸收法進(jìn)行改進(jìn),分別求出長(zhǎng)邊(沿著道路方向)對(duì)應(yīng)的母線和短邊(垂直于道路方向)對(duì)應(yīng)的母線。將短邊的母線繞著長(zhǎng)邊的母線做旋轉(zhuǎn)形成自由曲面。

即對(duì)同一個(gè)光源的設(shè)計(jì)在不同平面上應(yīng)用了兩次環(huán)帶系數(shù)法,并根據(jù)相應(yīng)的權(quán)重將兩次的結(jié)果有機(jī)結(jié)合起來(lái),從而得到一個(gè)全新的結(jié)構(gòu)。

具體設(shè)計(jì)時(shí),如圖2所示,光線入射點(diǎn)為(xi,yi),θi為入射光線與豎直線之間的夾角；βi為輪廓切線與水平線之間的夾角；αi為出射光線與豎直線之間的夾角。根據(jù)環(huán)帶系數(shù)法得出核心的入射光線和出射光線間的映射關(guān)系。設(shè)折射率為n,根據(jù)折射定律有

根據(jù)折射定律及上面得出的映射關(guān)系可以確定一條唯一的平面曲線。

根據(jù)長(zhǎng)軸和短軸對(duì)應(yīng)的出射角的不同,可以得出正交的兩條包絡(luò)線。

當(dāng)母線起點(diǎn)初始矢徑長(zhǎng)度為33 mm時(shí),得出的長(zhǎng)軸和短軸包絡(luò)線如圖3所示。

在三維空間的上半平面內(nèi)將短軸輪廓線繞長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn),就可以構(gòu)成透鏡表面的三維輪廓線,將其導(dǎo)入到三維建模軟件中即可得到對(duì)應(yīng)的立體模型,如圖4所示。本模型保存為合適的igs格式后可以用來(lái)進(jìn)行后續(xù)建模分析及模型加工。

圖2 透鏡輪廓線求解角度對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 長(zhǎng)軸和短軸包絡(luò)線

圖4 透鏡三維模型輪廓線

4 透鏡的軟件仿真

建立二次光學(xué)透鏡實(shí)體后,需要對(duì)實(shí)體賦予材料特性和表面特性。根據(jù)前面的分析,使用PMMA作為透鏡的制作材料。表面特性設(shè)為該材料對(duì)應(yīng)的透光率,一般3 mm厚度時(shí)穿透率93%左右。該材料對(duì)不同波長(zhǎng)光線的折射特性較為均勻,追跡時(shí)為了提高追跡效率使用單一波長(zhǎng)即可。

添加LED的實(shí)體模型到Tracepro中進(jìn)行光線追跡。LED的發(fā)光體賦予郎伯型空間幾何體的發(fā)光特性,相對(duì)原點(diǎn)在Z軸方向上偏移-0.5 mm,使得發(fā)光面中心位于坐標(biāo)原點(diǎn)。波長(zhǎng)為單一的0.546 1 μm。單顆光通量設(shè)置為8 000 lm,追跡光線為10 000條。

如圖5所示,照射平面上共接收到了8 802條光線,總光通量為7 040.9 lm。根據(jù)對(duì)結(jié)果的分析得出光斑有效長(zhǎng)寬比為1∶2,全平面有效平均照度1 760.2 lx,全路面(包括人行道)照度均勻度為46.7%。其照度分布近似為一個(gè)矩形光斑。LED經(jīng)過(guò)二次配光后的配光曲線為近似的蝙蝠翼型,如圖6所示。

圖5 單顆透鏡在200 mm遠(yuǎn)處的輻照度分布

Fig.5 The irradiance distribution of single len in 200 mm distance

圖6 單顆透鏡的配光曲線

將追跡得到的配光曲線導(dǎo)入到DIALux中得出道路實(shí)際照明效果,如表3所示。對(duì)照表1,比較道路照明模擬結(jié)果和道路照明規(guī)范的要求,對(duì)無(wú)法滿足要求的指標(biāo),返回透鏡建模處進(jìn)行修改。

重復(fù)此過(guò)程直到滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

表3 路燈光學(xué)模擬結(jié)果

5 結(jié) 論

針對(duì)大部分出廠的高功率白光LED為郎伯型的光度分布,提出X、Y軸方向?qū)ΨQ的自由曲面二次光學(xué)配光設(shè)計(jì)可以有效解決路燈的光型、出光效率、均勻性、配光角度、眩光和安全性等問(wèn)題,道路照明光學(xué)手段將道路方向的配光曲線設(shè)計(jì)成蝙蝠翼形,得到了很好的均勻度。對(duì)提高LED路燈設(shè)計(jì)水平,實(shí)現(xiàn)綠色照明有參考意義。

[1] SCHRUBEN J S. Formulation of a reflector design problem for a lighting fixture[J]. Journal of the Optical Society of America, 1972, 62(12):1498-1501.

[2] 丁毅,鄭臻榮,顧培夫. 實(shí)現(xiàn)LED照明的自由曲面透鏡設(shè)計(jì)[J]. 光子學(xué)報(bào), 2009, 38(6):1486-1490.

[3] SU Yi-cheng, WU Qi-guang. Numerical Solutions of Partial Differential Equations[M]. Beijing:China Meteorological Press, 1989:2-16.

[4] RIES H, MUSCHAWECK J. Tailored freeform optical surfaces [J]. Journal of the Optical Society of America A, 2002, 19(3):590-595.

[5] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部. 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(CJJ 45—2006)[S]. 北京:國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006.

[6] WOLF K B, KROTZSCH G. Geometry and dynamics in refracting systems[J]. European Journal of Physics, 1995, 16(1):14-20.

[7] 蔣金波,杜雪,李榮彬. LED路燈透鏡的二次光學(xué)設(shè)計(jì)介紹[J]. 照明工程學(xué)報(bào), 2008, 19(4):59-65.

[8] 羅毅,張賢鵬,王霖,等. 半導(dǎo)體照明中的非成像光學(xué)及其應(yīng)用[J]. 中國(guó)激光, 2008, 35(7):963-971.