自由曲面LED配光設計

陳海軍,朱伯明,褚才良,石巖(.寧波燎原燈具股份有限公司,浙江寧波35408；.中國計量學院,杭州3008)

自由曲面LED配光設計

陳海軍1,朱伯明1,褚才良1,石巖2
(1.寧波燎原燈具股份有限公司,浙江寧波315408；2.中國計量學院,杭州310018)

摘要：自由曲面靈活的空間布局和設計自由度，能夠簡化光學系統的結構，提高照明效果。本文介紹了自由曲面的應用以及發展現狀、構造光學自由曲面的原理，并給出了求解自由曲面面型、光學追跡模擬與結果分析的實例，發現對LED光源的自由曲面透鏡設計中，需要對目標面照度進行一定的過校正。

關鍵詞：自由曲面;光學設計;LED;照明

0引言

由于LED具有體積小、壽命長、電光效率高、環保節能等諸多優點，使其得到了迅速發展。大部分LED光源的輻射角分布為110度至120度的朗伯(Lambertian)分布,需要進行配光設計，以達到所需光分布。在路燈應用中，《城市道路照明設計標準》（CJJ45）要求路燈的配光為長方形的光斑,使光盡量分布在路面上，提高光能利用效率的同時,還要避免產生眩光[1]。??

LED路燈光學系統的設計成為LED路燈照明的一個技術關鍵。此設計應充分考慮其光學特性，完全摒棄傳統燈具的設計理念，為LED光源專門設計不同的燈具。本文充分考慮了LED的發光特性，介紹了用于LED照明配光的自由曲面透鏡設計方法，并介紹了一個設計實例。

1非成像光學與LED配光

如今，隨著照明技術的不斷發展，非成像光學越來越多的被應用到照明領域。通過非成像光學設計，比如將聚光器反向應用，能夠將光線匯聚成很小的發散角，實現高效率的照明。基于非成像光學理論的照明系統，主要包括CPC、自由曲面等照明系統[2-3]。??

一般LED的發散角比較大，但如果光接受面距離LED較遠時，由于發散角過大，光很難有效投射到被照射的物體上。因此，將LED應用于通用照明，對其出射光的發散角進行調整是很有必要的，這就關系到LED的二次光學設計。通常在LED外面加裝反光碗或透鏡以對LED的出射光線進行調整，來控制LED的空間光強分布。本文采用的便是加裝自由曲面透鏡的方法[3]。

2自由曲面的設計原理

光源的發光特性和目標面上的照度分布，根據能量守恒滿足如下公式：?

則有：??

2.1非球面的設計??

圖3自由曲面設計原理圖

下一個P點在上一個P點所在面的切線上，?

寫為矢量形式的折射定律為：??

由于光源光強分布不都是朗伯分布，目標面上的照度分布也不要求是均勻的，因此前面的程序不適合具有任意光強分布，任意照度分布的系統設計。

由 ??

3設計實例

利用以上方法，進行了旋轉對稱自由曲面的設計，以獲得均勻照明。由于LED非理想點光源，因此設計過程中，需要對目標照度分布進行過校正。設計的自由曲面曲面如圖2所示。

圖2自由曲面透鏡曲線

其中自由曲面透鏡厚度為8mm，其最大收集光角度為60o,光源到自由曲面透鏡距離為5mm，自由曲面透鏡到接收屏距離為38mm，接受面為半徑為23mm的圓面。

設計中以照度均勻性和光能利用率為目標進行優化，調整參數。??首先采用照度分布E[110.90.90.80.90.911]，得到相應照度分布如圖3所示。

圖3自由曲面配光照度分布

采用照度分布E[0.90.90.80.70.60.60.60.50.5]得到相應照度分布如圖4所示。光能利用率為71%，光照均勻度為[1-(730-520)/2/620]*100%=83.1%。

采用照度分布E[10.90.90.80.70.70.70.60.6]得到相應照度分布如圖5所示。

光能利用率為74.13%，光照均勻度為[1-(660-450)/2?550]*100%=81.0%。

圖4自由曲面配光照度分布

圖5自由曲面配光照度分布

4結語

利用程序法設計自由曲面，可以獲得較高的能量利用率和高均勻性照明，但對于有一定發光面積的LED光源，需要對目標照度進行一定過校正。

參考文獻:

[1]中國建筑科學研究院.CJJ45-2006道路照明設計標準[S].中國建筑工業出版社,2007(07):7-12.

[2]蔣金波.自由曲面LED路燈透鏡設計[J].液晶與顯示,2008,05(23):23-30.

[3]王聲學,吳廣寧.LED照明及其原理應用[J].燈與照明,2006(04):10-18.