一种LED路灯透镜的二次光学设计与研究

黄智炜等：一种 LED路灯透镜的二次光学 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与研究 文章编号：1006—6268(2010)02／03—0035—05 基金项 目：福建省科技计划重点项 目(2009H0034)；厦门市科技计划 重点项 E1(3502Z20093033)；泉州 市科技计划重点项 目(2008G7) 一 种 LE D路灯透镜的二次光学 设计与研究 黄智炜，郭震宁，林介本，黄明波。董菁菁 (华侨大学信息科学与工程学院 。福建泉州 362021) 摘 要：LED 的二次光学元件设计对LED路灯的配光及光学输出效率至关重要。文章针对大 功率 LED在路灯上的应 用，基于选定的 LED进行 了一种 用于 LED路灯的 自由曲面二次光学透 镜的设计，并采 用光学软件进行仿真。结果表 明，采用非对称 自由曲面二次光学元件 可以实现 LED路灯的矩形配光 ．采用这种 LED模 组组成的路灯便于结构设计 、电源安装，不同功率的 LED路灯只需要增加不同数量的 LED模组即可。此种设计可以在很 大程度上提高 LED路灯的 效率，提高路面照明的均匀度 。 关键词 ：LED路灯；自由曲面 ；二次光学设计 ；配光 中图分类号 ：TN312+．8 文献标识码：B Study on the Secondary Optical Design of Lens for LED Street Light HUANG Zhi—wei，GUO Zhen—ning，LIN Jie-ben，HUANG Ming-bo，DONG Jing-jing (College of Information Science and Technology，Huaqiao University，Quanzhou Fujian 362021，China) Abstract：The secondary optics design is a critical issue for the output efficiency and light distribution pattern of the LED street light．Aim ing at the application of large power LED in street light．based on LED has been developed，the calculation methodology of a freefOrm optics for the street light is put forward and sim ulated with the optical software．The result shows that the single LED module adopt the unsymmetrical freeform optics can make a rectangular light distribution．The mechanism and the pow er control electronics of the LED street light becomes very simple，different power LED street light only need to increase the different numbe r of LED modules．And this design promotes the efficiency of LED street light in a large scale and greatly improves the unifOrm itV of illumination on the street． Keywords：LED street light；freeform ；seconda ry optics design；light distribution 收稿 日期 ：2009一l1—03 Feb．一Mar．2010，总第 109期 现代显示 Advanced Display 35 曩 ： 一一 一 ％ 皎拳交藏 ⋯ 糍 黄智炜等：一种 LED路灯透镜的二次光学设计与研究 引 言 随着半导体芯片与封装技术的发展，LED的发 光效率得到迅速的提升。LED具有体积小、寿命长、 电光效率高、环保节能等诸多优点，被广泛应用于 LED路灯照明并成为研究热点”】。2009年，国家科技 部推进“十城万盏”计划，带动了全国各地掀起 LED 路灯产品设计与研究的热潮。 目前，用于 LED路灯的瓦级白光 LED光源的 光强分布均为朗伯型(1ambertian distribution)分布， 若未经过一定的配光设计，则 LED路灯照射在道路 上的光型将呈圆形的光斑 I，而圆形光斑难以实现较 好的照度均匀度，并造成靠近 LED路灯杆的下方比 较亮，两根灯杆之间容易出现暗区。此外，LED路灯 照射的光约有 50％散落在道路之外没有被充分利 用起来，同时会对远处的车辆或行人产生眩光，与之 使道路照明的要求不符。因此，本文提出了一种 LED 路灯透镜，研究了二次光学设计的要素和设计方法， 并通过结构设计、光学追迹等解决了LED路灯的配 光设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，具有良好的实际应用前景。 1 LED路灯的配光设计方法 目前，LED路灯的配光设计方法有很多种，最常 见的有以下两种：第一种方法是弧形排列的 LED路 灯(如图 1所示)。单个 LED模组采用轴对称的透镜 或反光杯进行配光，再将 LED模组排列在一个弧面 上，通过调整弧面的曲率而在道路方向产生一个近 似长方形的光型分布B’。该设计方法的缺陷是：(1)造 成 LED路灯照射的光线浪费：(2)难以实现满意的 照度均匀度，并未达到满足国家规定的《城市道路照 图 1 弧形排列的 LED路灯示意 图 明设计 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 》(CJJ45—2006)：(3)限制了LED路灯 的外形设计与美观。 第二种方法是平面排列的 LED路灯(如图2所 示)。LED路灯的设计采用了横纵方向非对称的长方 形配光的透镜 ，经过配光可直接在单个 LED光学元 件上实现矩形光斑。该方法的优点是：(1)LED路灯 的制造只需将具有矩形配光的 LED模组排列在一 块散热平板上；(2)LED路灯在结构设计、散热及电 源安装方面十分便捷；(3)不同功率的LED路灯只 需增加或拆除相应的 LED模组即可。 { @ ⑩ l } l l } ④ 一 — — — — — — —n — — — — 一 —— — - n *0 ⋯ l l ⑩ 固 ④ l ⑩ l { 图 2 平面排列的 LED路灯示意图 本文采用第二种配光方法，设计了一种新型的 LED路灯透镜，通过平面排列的方式可实现高达 0．735的照度均匀度。 2 瓦级白光 LED光源的选择 瓦级白光 LED光源的发光角度一般为 90。 一 140。，为提高对 LED光源的光提取效率，并方便横 向小角度方向的二次光学设计 ，应选用聚光性能好 的光源。结合当前大功率 LED路灯对散热、寿命等 要求，本文采用美国Cree公司XR—E系列的大功率 白光 LED光源，该光源发光角度为 90。，散热好， 性能稳定，其结构和光强分布图分别如图3和图4 所示。 3 新型 LED路灯透镜的设计 目前，LED路灯的安装高度一般为 6m、8m、 1 0m、1 2m等，分别应用于不同的主干道和支干道。 本文以 10m杆为例，LED路灯安装高度为 10m，灯 杆间隔为30m，双向4车道的道路宽度为 14m，则所 36 现代显示Advanced Display Feb．一Mar．2010，总第109期 黄智炜等：一种 LED路灯透镜的二次光学设计与研究 图 3 Cree XR—E 系列 瓦级 白光 LED 光 源结 构 图 设计的 LED路灯必须在路面上产生长为 30m、宽为 14m的矩形光斑，并实现良好的照度均匀度。 为实现 LED路灯照射在道路上的光斑近似矩 形，并避免造成光损失与浪费，本文设计了一种非对 称自由曲面的新型 LED路灯透镜 ，如图 5所示。该 透镜的设计步骤为：通过光学基本原理建立偏微分 方程组 ，采用 Matlab软件对方程组求解，并对所得 数值进行曲线拟合，再把求出的数学表达式导入结 构设计软件里绘图 ～Ol。 该透镜在纵向方向实现 ±60。内均匀分布的配 光，在横向方向实现 ±30。内均匀分布的配光。已知 Cree LED光源的角度为90。，则透镜的纵向方向 弧度要起到散光的作用 ，横向起到聚光的作用 ，61。 白光 LED光源的出射光分别经过透镜的第一面和 第二面自由曲面的折射之后，在特定路面上形成矩 形分布的均匀照明。 相 对 发 光 强 度 一 lOO 一8O 一60 —40 l20 1O0 80 40 20 0 ／ ＼ 。 一 一 一 -_H]I r—] ： 图 5 新 型 LED 路 灯 透镜 的剖 面 图 4 仿真结果及 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 在光学设计软件中对自由曲面透镜进行光学模 拟，其透镜材料为 PMMA，折射率为 1．49。经过光线 追迹与配光曲线分析，得到直角坐标系下的配光曲 线如图6所示。 由图6表明，自由曲面透镜纵向方向的角度为 1 16。，横向方向的角度为 58。，该透镜出射的光在 接收面上形成近似矩形的光斑，如图7所示。 采用 150颗瓦级 白光 LED光源组成一盏 LED 路灯。在灯杆高度为 10m，两盏路灯相距为30m的 条件下，通过 Dialux软件进行仿真，得到路面的照 20 0 20 40 60 80 lOO 角度 (。) 图 4 Cree XR—E系列瓦级 白光 LED 光源在直角下的光强分布 Feb．一Mar．2010，总第 109期 现代显示 Advanced Display 37 一 _ ∥ 藐 术交 流_ 一_ ㈣ = 黄智炜等：一种 LED路灯透镜的二次光学设计与研究 图 6 自由曲面透镜的配光曲线图 }5D0 f∞ D 500 D ．5D0 f000 ．f50O 10D0 500 0 ．50O 1O00 ．1580 Z(咖) 接 收面 的照度分 布 图 度分布如表 1所示。 由表 1可知，采用本文设计的新型 LED路灯透 镜，可实现照度均匀度高达 O．735，完全满足当前道 路照明的照度要求 (《城市道路照明设计标准》 (CJJ45—2006)中规定照度均匀度／>0．4，平均照度为 ⋯ ⋯ ⋯ 一 一 0 0 。⋯ 。。 ⋯ ⋯ 一： ～ g()0 一 - - ． 一 一 L ． -． - 一 ．． ● ． ． 一 一 ． ． L．．．一一．．’ 一 一 一 ． ． ． L 一 ．． ． ． ．一 ‘ ⋯ ‘⋯ 。 ⋯ ⋯ _ 一 一 - 一 - ． 一 一 - 一 一 ． ． 一 一 一 ． - ． L 一 一 ． -． ． 一。 ． ． 一 一 ． ． L ．．--．．‘ 一 ⋯ ⋯ ⋯ ．： - 一 - 一 一 ． L 一 一 - 一 ·． 一● 50 60 70 80 90 20～30 Lux)，可应用于 LED路灯产品的配光设计。 5 结 论 本文研究并设计了一种非对称自由曲面的 LED 路灯透镜，实现道路照明纵向方向的角度为 1 16。， 横向方向的角度为58。，且照射光斑呈矩形分布。 采用该透镜制造 150瓦 LED路灯，用于 10m杆，灯 杆间距为 1Om的双向4车道上，实现路面平均照度 为23Lux，照度均匀度高达 0．735，满足当前城市道 路照明设计标准的要求。采用本文所设计的透镜制 造平面配光的 LED路灯具有发光效率高、安装便 捷、设计灵活等优点，具有良好的实际应用前景。 参考文献 【1]吴淑梅，霍彦明，徐 梅等．LED光源在照明中的应用【J】 现代显示，2008，7：55—58． 【2】高铁成，艾艳锦，杨广华等．LED路灯的二次光学设计【J】 表 1 路面照度分布 26 23 20 18 17 17 18 20 23 26 25 24 l9 l8 18 18 18 l9 24 25 27 24 20 19 l9 19 19 20 24 27 28 27 20 20 20 20 20 20 27 28 30 29 22 20 21 21 20 22 29 30 34 30 23 22 21 21 22 23 30 34 平均照度『h】 最小照度fJx] 最大照度【lx] 最4,N度／平均照度 最小照度／最大照度 23 17 34 0．735 0．492 38 现代显示Advanced Display Feb．一Mar．2010，总第109期 _0： ：寸： t．：1．．0：一 __：～． ；l-．十：丁_‘： ：t_-：一∞ ． p 篓 霉一 置- 一一一一一一 一一二一一一一～～一～～～一～一 一．-：一_．．i；T+．牛．． 一 ．-I．_-．．十．+：一 一：一。。， ． ．_：一加 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 一 ～ ～ 一 尸～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 一-一 一．一一-一_：．-_-_ ．． ～ 一 一～ ～ 一一 一 一一 一 一 一 一一 一 一一 一 一一 一一 - 一 一 一 一 一 - 一 一 一 一 一 一， 一 ～ 一 一 ～ 一 一 一 ～ 一 一 一 ～ ～ 一 一 ～ 一 一 一 一 一 一 一矿～ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 __．--： ． r 一：一 一．__：一． _．_ ：r r： ． ：h．-_：L：L ～ 一 一 ～： ． ： ■ 一：一 一．_1：_=：牙．■：『1_r _r．．一：一．__：■一 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 一 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 一 一 一 一 一 ～ 一 一 一 ～ 一 ～ 一 一 一 ljl一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 ． _ - _ 一 一 ． _ _ 一 一 一 =一 _ ． _ 一 一 一 _ _ _ _ _ 一 _ _ _ _ - ． - ． r^- _ 一 _ 一 ． 一 一 _ _ 一 一 一 一 ll一 _ - _ - - - - 一 ≠j 一一一一一一一一一一_ _ 一--- ，f -_'_．-11_1I{．I1 _；--_r f，j__1．_1_．^r．I1．：．{．．r。_r_．¨．．h．． ．． ．．L[j 一一一一___一．一--_jl-__ ．．．． f — 一 _ 一 ． _ 一 一 一 一 一 一 一一 _ _ _ _ _ _ 一 ． ， 土：烹 ： 土．耋．寸 0 土0 ． 一 一 _ ． 一 一 一 一 _ 一 一 _ ． _ ． 一 一 一 一 ． 一 _ 一 一 一 一 一 一 ll～， 一 + _ I _ _ _ ■ ■ 三 ■ 一■ ．童叠0童．00j z■加 _．： ．_J； ■ 斗 ． ： ：一： J． ： J_-I 斗 ． ．． ： ： I．．“．_J：斗 一 一 一 一 一 一 一 ～ ～ 一 一 ～ 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 岫 ．豪-蕈 _-毒 __寅． _鑫 ．_亩_宜_占 黄智炜等：一种 LED路灯透镜的二次光学设计与研究 光机 电信息，2008，1 O：41—44． 【3】蒋金波，杜 雪，李荣彬．LED路灯透镜的二次光学设计 介绍【J】l照明工程学报，2008，19：59—65 【4】深圳市雷曼光电科技有限公司．LED封装结构的光学模拟 与设计【J】．现代显示，2008，3：67—71． I5】王 乐．LED应用于照明的计算和仿真[J】．照明工程学报， 2007，1 8(1)：25—30． 【6】勾志勇，王 江，王 楚等 非球面光学设计技术综述【J]． 激光杂志，2006，27(3)：1—2 【7】吴仍茂，屠大维，黄志华等 LED照明系统的光照均匀性 设计 ．光学技术，2009，35(1)：74—76． 【8]罗 毅，张贤鹏，王 霖等．半导体照明中的非成像光学及 其应用【J】．中国激光，2008，35(7)：963—971． 【9】丁 毅，郑臻荣．顾培夫．实现 LED照明的自由曲面透镜 设计【J】．光子学报，2009，6(38)：1486—1491． 【10】熊德平，何志平 非球面光学系统的光路计算与分析【J】． 光学仪器，2006，26(4)：45—47 作者简介：黄智炜(1 984一)，男，硕士研究生，主要从 事半导体照明光学设计研究，E—mail：huangzw724 @1 63．com。 (上接第 34页) 白光LED 监 监色 婆譬绿色过滤器 红色 翌 1．0： 蓝色过滤器绿色过滤{ 红色过滤器 1．O一 ／ 叠 正0．8一 八 j 皆 e_ ； 白光LED放射 O-6一 蚀 度 O．4— ：：≥ ； 0．2一 f ； ， 一 、 ＼ 。 ～ oO 45'0 58o 5 0 60'0 6 0 7面 ⋯400 4 o 5‘00 5b0 660 d5o 780 波长(nm) 波长(nm) 图 9 RGB背光与白光 LED 背光光谱 【4¨ 日】大石严 ，烟田丰彦，田村彻等．显示技术基础【M】白玉 参考文献 【1】Folkerts W ．LED backlighting concepts with high flux LEDs[J]SIDSymposiumDigest，2004，35(1)：1226-1229． 【2]汪 敏 ，夏咸军．新型 LED背光源技术及应用【J]l光电子 技术，2005，25(4)：267—270． 【3】华中一 ，顾 昌鑫．电子光学【M] 上海 -复旦大学出版社 ， 1993 林 ，王毓仁译 北京：科学出版社，2003 f5】李晓彤，岑兆丰．几何光学·像差·光学设计【M]．杭州 ：浙江 大学出版社，2003． 作者简介：乔元昆(1 985一)，籍贯黑龙江，现就职于 京东方科技集团，研究方向为液晶模组显示领域， E—mail：Qiaoyuankun@boe．com ．cno Feb．一Mar．2010，总第109期 现代显示Advanced Display 39