LED路灯透镜光学设计Word格式.docx

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现有市场上大部分得高功率白光LED得光度分布就是郎伯分布，光斑就是圆形得，峰值光强一半位置处得光束角得全宽度约为120°

。

LED路灯如果没有经过二次光学得配光设计，那么照在马路上得光斑会就是一个“圆饼”，如图1（a）所示，大约1半左右得光斑会散落到马路之外而浪费掉，并且光斑得中间会比较亮，到周围会逐渐变暗。

这种灯装在马路上之后，路灯之间会形成很明显得明暗相间得光斑分布，对司机造成视觉疲劳，引发事故。

这种情况下得LED路灯就不能叫做“节能”与“绿色照明”了。

国家城市道路照明设计标准要求LED路灯得光斑如图1（b）所示，光斑为长方形，正好可以覆盖马路，并且有很好得均匀性。

LED得二次光学技术，不同于其她得学科，就是一门涵盖非成像光学与3维曲面建模得交叉学科，二次光学得设计可以有效解决LED路灯得出光效率、均匀性、配光角度、眩光与安全性等问题，提供符合于国家标准所要求得配光，真正实现环保与绿色得照明。

另外LED路灯有较好得显色指数（CRI），根据需要可以调节不同得色温使其可以满足白天、晚上、晴天与雨天等不同得环境。

图1（a）没有经过二次光学设计得LED路灯得光斑，（b）经过二次光学配光设计得LED路灯得光斑

Fig、1（a）Lightpatternwithoutopticaldesign,（b）Lightpatternwithfineopticaldesign　　全反射式二次光学透镜可以收集从LED芯片发出得全部180°

得光，并重新分配到指定得区域，就是个很好得解决方案。

自由曲面得配光可以使LED路灯光强得远场角度分布呈蝙蝠翼分布，使光斑成长方形，并且光斑得中间与边缘比较均匀，利用边缘光线原理，透镜还可以实现截光设计，消除眩光。

以下为一种全反射式二次光学透镜得设计方法。

2、全反射式二次光学透镜得设计　　

图2全反射式二次光学透镜得3D模型

Fig、2Lens3Dmodeling　　图2为一种全反射式二次光学透镜得3维模型。

透镜由4部分组成，中间内凹得非球面柱面镜部分、侧面得全反射棱镜部分、两端得全反射棱镜部分、以及上表面“W”型得自由曲面组成。

透镜将郎伯型LED得光配成沿X方向120°

（沿着道路方向）以及Y方向60°

（垂直于道路得方向）得光度分布。

透镜得设计遵循“边缘光线原理”[1]，即在X方向，输出光线得边缘光线得与光轴得夹角为±

60°

，其她所有得输出光线都分布在这一角度之内，在Y方向，输出光线得边缘光线得角度为±

30°

　　透镜得设计原理如图3所示。

其中Y方向得配光原理如左图，从LED发出得中间部分得光，由内凹得柱面镜进行会聚，会聚后所有输出光线得反向延长线交于一虚焦点“F”，“F”与柱面镜边缘组成得这部分光线，再经过上表面之后，分布在角度±

之内。

剩下从LED发出得往侧面部分得光，则由侧面得全反射棱镜进行配光。

经入射面入射到外侧全反射面得光线，从下到上，其反射角就是渐变得，再经过上面得输出面折射之后，这部分光也分布均匀在±

沿X方向得配光原理如图3得右图，内凹得柱面镜覆盖了从LED发出得中间部分得±

76°

之内得光线，上表面“W”形状得曲面将这部分得光线均匀分配在发散角为±

之内，并形成一个蝙蝠翼得配光曲线分布。

透镜两端各有一全反射棱镜，用来起截光得作用，收集剩下从LED发出得±

~90°

得光（这部分光如果不经过配光，直接射出后会造成眩光），经过透镜两端外侧得全反射面反射与上表面“W”曲面得折射之后，重新分布在光束角±

两部分得光叠加一起后形成一光束角为±

得光度分布，其光强得远场角度分布（配光曲线）为蝙蝠翼形。

图3Y与X剖面得设计原理

Fig、3DesignprinciplesonYandXsections　　在透镜得Y方向，内凹得非球面柱面镜得设计与外侧全反射面轮廓线得设计如图4得（a）与（b）所示。

图4（a）为Zemax中得光路图，从LED射出得±

40°

以内这部分光线，经过柱面镜折射之后，所有光线得反向延长线交于虚焦点“F”，经过点“F”与柱面镜得边缘所形成得边缘光线，其与光轴得夹角为±

19、6°

，经过上表面折射后，形成±

得出射光线。

图4（b）为用来计算外侧全反射轮廓线上各点坐标值得数学模型。

其中q为LED出射光线OP与光轴OO¢

得夹角；

Q（x,y）为外侧全反射轮廓线上一点Q得坐标值，其反射线QR与光轴得夹角为d；

a为全反射棱镜入射面得拔摸角，以利于中间柱面镜模芯得拔出，这里设置为2°

（a）

（b）

图4（a）内凹柱面镜Y方向剖面在Zemax中得光路图，（b）全反射棱镜部分Y方向剖面得数学建模

Fig、4（a）OpticalpathoftherecessedasphericcylinderinZemaxsoftware,（b）MathematicmodelingoftheoutsideTIRsurface　　当q角从90°

变化到40°

时，反射角d（即反射光线QR与竖直线QT之间得夹角）从0°

变化到19、6°

从点Q（x,y）得角度关系，可以得出以下得式子：

（1）　　以及:

（2）　　从公式

（1）及

（2），可得出以下得式子：

　　　　（3）　　其中，b为曲线BD在点Q（x,y）处得切线角，g为切线QZ与竖线QT得夹角，PQ为P点位置得折射光线，q¢

为PQ与水平线之间得夹角。

曲线BD得导数与切线角b得正切函数之间有如下得关系：

　　　　（4）　　其中，dy与dx为曲线BD在Y与X方向得微元。

　　根据在P点位置得斯涅尔定律[3][4]，有如下关系：

　　因此:

　　（5）　　当q角从90°

时，d从0°

渐变到19、6°

，假设AB得初始值为1mm，联合公式

（1）、（3）、（4）、与（5），Q（x,y）点得坐标值可以通过数学模型得积分迭代法依次算出。

图5X剖面，上表面配光设计得数学模型

Fig、5Mathematicmodelingalongthelongitudecrosssection　　针对上表面在X方向上得配光，其数学模型如图5所示。

根据柱面镜底部AB轮廓线上P点位置得斯涅尔定律，有

　　　　（6）　　再根据Q（x,y）点位置得斯涅尔定律，有如下关系式：

　　（7）　　式中，a为竖直线QV与出射光线QR得夹角，b为法线QN与竖直线QV之间得夹角，q为LED得出射角，q¢

为P点位置得折射角，n为透镜材料得折射率。

为了配成蝙蝠翼状得光强得远场角度分布，当LED得出射角q从0°

变化到76°

时，输出光线满足以下得关系：

　　,ifq£

　　（8）　　以及,if60

　　再根据以下曲线CF得微分与切线QS得正切角函数之间得关系：

　　　　（10）

　　联合公式（6）至（10），上表面得马鞍形曲线CF得数值坐标可以用积分迭代法一一计算出来。

　　在X方向剩余从LED射出得角度q为76°

至90°

得这部分光线，如果不经过配光直接射出，则会对远处得车辆产生眩光，这部分得光需要进行截光设计，所谓截光设计，并不就是把这部分得光遮挡，而就是将这部分得光重新分配到所需要得地方。

这里采用透镜两端得全反射面EF将这部分光进行收集并重新分配，计算方法同上述图4得算法一样，重新分布后得光束角为±

3、全反射式二次光学透镜得计算机模拟

　　透镜所有得透射面与反射面得轮廓线计算完成之后，数据点可以输入到3D建模软件（如CATIA或者Unigraphics）中进行3维实体模型得建立。

将二次光学透镜实体连同LED得实体模型输入到LightTools[5]中进行光线追迹，如图6所示。

LED芯片得发光面赋予1´

1mm得郎伯型得发光特性，输出光通量设置为80流明/瓦，单颗为1瓦，透镜得短边方向为垂直于马路得方向（Y方向），透镜得长边得方向为沿着马路得方向（X方向）。

图6全反射式二次光学透镜得光线追迹

Fig、6RaytracingoftheLEDmodulewithfreeformTIRlens,sideview（left）andtopview（right）

　　图7为单颗透镜在12米远处得照度分布，光斑最大照度值为0、167勒克斯，在36米´

14米范围之内得其均匀度超过了50%。

屏幕总共收集到得光通量为78、715l流明，换算成透镜得出光效率，为98、39375%，考虑到透镜材料本身得透过率，假设透镜材料本身得透过率为92%，实际注塑出来得透镜产品得效率将超过90%。

单颗透镜光强得远场角度分布（配光曲线）如图8所示，图中实线为Y方向得远场角度分布，其峰值光强一半位置处得光束角宽度约为±

；

虚线为X方向得远场角度分布，其峰值光强一半位置处得光束角宽度约为±

透镜在X方向得配光曲线为很好得蝙蝠翼分布。

图7单颗透镜在12米远处得照度分布

Fig、7IlluminancedistributionofthesingleLEDmoduleat12meterdistance

图8Fig、8BatwinglightintensityfarfieldangledistributionofthesingleLEDmodule

4、LED路灯得整灯得计算机模拟

　　由于一般得道路照明要求路面照度得平均值超过20勒克斯，采用单颗得高功率LED来实现道路得照明，其照度就是远远不够得。

一盏LED路灯往往需要由很多颗LED组成，才能达到所需得照度。

根据不同路面、灯杆高低、以及灯距得要求，可以分别采用不同数量得高功率LED，LED路灯往往有30瓦、60瓦、90瓦、120瓦、160瓦等不同得规格。

由于单颗二次光学透镜已经实现了长方形光斑得配光设计，整个路灯只需要将这些LED透镜按照相同得方向排列起来装配在一个平得散热板上即可，透镜排列得间距与排列形状对配光没有影响。

图9为LED路灯整灯得建模及在LightTools中得光线追迹。

这里总共排列了160颗、单颗1W、每瓦80流明得LED。

图9整灯得建模及光线追迹

假设接收屏放置于12米远，由于所有得透镜都就是按照一个方向排列得，整灯得光斑形状与光强得远场角度分布与单颗透镜得完全相同，唯一不同得就是照度值与配光曲线得发光强度值按照LED得数量乘了一个倍数，如图10与图11所示。

在36米长´

14米宽得范围，平均照度超过20勒克斯，照度均匀度超过了50%，光斑最强得照度值为26、7勒克斯。

整灯得光强得远场角度分布为蝙蝠翼分布，图中实线为Y方向得远场角度分布，其峰值光强一半位置处得光束角宽度约为±

在X方向，配光曲线中心得发光强度值约为4,000Cd（坎德拉），±

得位置约为8,000Cd。

光斑宽度超过14米，大约可以覆盖4车道。

图10整灯在12米远处得照度分布

Fig、10LEDstreetlightilluminancedistributionat12meterdistance

图11整灯光强得远场角度分布

Fig、11LEDstreetlightlightintensityfarfieldangledistribution

5、结论:

　　由于大部分出厂得高功率白光LED为郎伯型得光度分布，利用XY方向非轴对称得自由曲面二次光学得配光设计可以有效解决路灯得光型、出光效率、均匀性、配光角度、眩光与安全性等问题，提供符合于国家标准所要求得配光，真正实现环保与绿色得照明。

全反射二次光学透镜得采用可以实现很高得配光效率，得到超过90%得输出效率。

全反射透镜上表面得“W”型自由曲面，可以将道路方向得配光曲线设计成蝙蝠翼形，实现很好得均匀度。

透镜底部用来聚光得非球面柱面镜由Zemax完成设计，外侧得全反射面与上表面得自由曲面则通过数学模型精确计算而成。

本设计结合了光学设计、数学建模、以及3维曲面造型，以及边缘光线理论。

就是LED非成像二次光学得一个典型得设计方法。