亮度均匀的LED路灯透镜设计与研究.pdfVIP

亮度均匀的LED 路灯透镜设计与研究 谢志国，李伟平，李程，余彬海 （1 中山大学光学工程博士后流动站，广东 广州 510640 ；2 佛山市国星光电股份有限公司， 广东 佛山 528000 ） 摘要：针对路灯照明系统，阐释照度均匀性和亮度均匀性的LED 路灯透镜设计。通过对LED 光源角度分布与目标面照度关系引用一种简化的线性校正函数，不同的道路亮度系数，选用 合适的K 值，设计基于自由曲面的亮度均匀路灯透镜。利用光学软件进行仿真，结果显示中 间向边缘逐渐减弱的渐变照度分布，这样有利于路灯照明的亮度的均匀。通过注塑成型工艺 加工了该透镜，并制作了一盏路灯进行配光和照度的测试。结果表明该透镜设计满足渐变照 度分布的矩形光斑照明。采用Dialux 软件对路灯照明效果进行评估，显示该路灯透镜设计， 横向和纵向亮度均匀性达到0.6 以上，满足道路照明的亮度均匀性要求。 关键词：发光二极管；亮度均匀；路灯透镜 1、引言 半导体材料制作的发光二极管--LED，与其他发光材料相比较，LED以其绿色、高效、可 靠、耐用的优势，使得其他发光材料黯然失色。LED光源在道路照明中的应用已成为近年来 半导体照明行业的热点。大部分用于LED 路灯多是功率型瓦级白光LED光源，光强分布均为 朗伯型分布。如果没有经过配光设计, 照在地面上的光型会为面积较大的圆型的光斑, 约 50 % 的光散落到马路之外没有被利用起来, 而且会对远处的车辆或行人产生眩光,与路面照 明的要求不符。因此在LED 照明应用中, 需针对LED 的特性进行二次光学设计, 使其光强分 布满足大面积照明的配光要求[1][2] 。自由曲面型元件因其具有良好的自由度、小巧的体积和 精确的光线控制特性而被广泛应用。通常这些基于自由曲面的LED路灯透镜都是按照度均匀 矩形光斑概念设计，将目标照明面简单地按照度均匀进行能量分配，通过求解偏微分方程获 得自由曲面[3][4] 。这种配光设计没有充分考虑照射到地面上的光线的入射角度和路面的反射 性能，通过路面反射进入驾驶者眼睛的有效光并不多，亮度分布不均匀，特别是纵向均匀度 较低。而对驾驶员来说，按照“亮度标准”设计的道路照明系统能使得路面均匀可见，能给 驾驶员增添信心[5][6] 。本文将从亮度均匀的LED路灯透镜自由曲面设计原理出发，设计并制作 亮度均匀的自由曲面透镜，并对采用该设计路灯进行仿真和测试，探讨该设计在LED路灯照 明中性能的优异。 2、亮度均匀的路灯透镜设计 LED 照明系统中, 单颗LED 器件的直径一般在1~ 5 mm 间。根据非成像光学设计方法, 可将LED 作点光源近似。多数功率型LED 器件的发光角度为180, 其光强分布在空间构成一 个半球面, 其配光特性满足近似朗伯分布： i(θ) i cos(θ) (1) 式中i 为主光轴上光强, θ为光线与LED 主光轴的夹角。在点光源近似下, 该半球面上的光线 唯一对应于反射或折射元件自由曲面上一点。根据面积微元的划分思想, 以及光滑曲面各点 处都具有切平面且彼此连续的特征, 自由曲面上每点处均有一个微小的切面元。设该切面元 法向矢量为 , 该点处入射光单位矢量为 , 出射光单位矢量为 , 如图1 所示。则根据矢 N I o [7] 量形式的菲涅耳方程三者满足如下关系 ： 2 2 1/2 no ×o −nI ×I [no =+nI −2×no ×nI ×(o •I )] ×N (2) 在这里 ,