LED固态半导体照明技术被认为是21世纪的战略节能技术中国欧洲.DOC

LED 固态半导体 照明技术 被认为是21世纪的战略节能 技术。中国、欧洲和北美的许多国家和城市都已经进行了LED道路照明技术的开发和大力推广,相比于金属卤素灯 (MH)和高压钠灯(HPS),LED路灯拥有更长的寿命(大于5倍);除此之外,LED路灯还具有更好的可控性和光 效,可以节能50%之多。LED路灯的另一个绿色能源的特征是光源 本身不含有害物质汞。光学方面,LED芯片的小光源特性可以比较容易实现精确的配光和二次光学 的优化设计 ,准确控制光线的方向,把光充分的分配到所需要照明的马路上,防止光污染和眩光。 ? ? ? ? 　　全反射式二次光学透镜可以收集从LED芯片发出的全部180°的光,并重新分配到指定的区域,是个很好的解决方案。自由曲面的配光可以使LED路灯光 强的远场角度分布呈蝙蝠翼分布,使光斑成长方形,并且光斑的中间和边缘比较均匀,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的设计方法。 ? 　　2. 全反射式二次光学透镜的设计 ? ? ? ? 　　图 2 全反射式二次光学透镜的3D模型 　　Fig. 2 Lens 3D modeling ? 　　图 2为一种全反射式二次光学透镜的3维模型。透镜由4部分组成,中间内凹的非球面柱面镜部分、侧面的全反射棱镜部分、两端的全反射棱镜部分、以及上表面“W”型的自由曲面组成。透镜将郎伯型LED的光配成沿X方向120°(沿着道路方向)以及Y方向60°(垂直于道路的方向)的光度分布。透镜的设计遵循“边缘光线原理” [1],即在X方向,输出光线的边缘光线的与光轴的夹角为±60°,其他所有的输出光线都分布在这一角度之内,在Y方向,输出光线的边缘光线的角度为±30°。 ? 　　透镜的设计原理如图 3所示。其中Y方向的配光原理如左图,从LED发出的中间部分的光,由内凹的柱面镜进行会聚,会聚后所有输出光线的反向延长线交于一虚焦点“F”, “F”与柱面镜边缘组成的这部分光线,再经过上表面之后,分布在角度±30°之内。剩下从LED发出的往侧面部分的光,则由侧面的全反射棱镜进行配光。经入射面入射到外侧全反射面的光线,从下到上,其反射角是渐变的,再经过上面的输出面折射之后,这部分光也分布均匀在±30°之内。沿X方向的配光原理如图 3的右图,内凹的柱面镜覆盖了从LED发出的中间部分的±76°之内的光线,上表面“W”形状的曲面将这部分的光线均匀分配在发散角为±60°之内,并形成一个蝙蝠翼的配光曲线分布。透镜两端各有一全反射棱镜,用来起截光的作用,收集剩下从LED发出的±76°~90°的光(这部分光如果不经过配光,直接射出后会造成眩光),经过透镜两端外侧的全反射面反射和上表面“W”曲面的折射之后,重新分布在光束角±30°之内。两部分的光叠加一起后形成一光束角为±60°的光度分布,其光强的远场角度分布(配光曲线)为蝙蝠翼形。 ? ? 　　在透镜的Y方向,内凹的非球面柱面镜的设计和外侧全反射面轮廓线的设计如图 4的(a)和(b)所示。图 4(a)为Zemax中的光路图,从LED射出的±40°以内这部分光线,经过柱面镜折射之后,所有光线的反向延长线交于虚焦点“F”,经过点“F”和柱面镜的边缘所形成的边缘光线,其与光轴的夹角为±19.6°,经过上表面折射后,形成±30°的出射光线。图 4(b)为用来计算外侧全反射轮廓线上各点坐标值的数学模型。其中q为LED出射光线OP与光轴OO￠的夹角;Q(x, y)为外侧全反射轮廓线上一点Q的坐标值,其反射线QR与光轴的夹角为d;a为全反射棱镜入射面的拔摸角,以利于中间柱面镜模芯的拔出,这里设置为2°。 ? 　　(a) ? 　　(b) ? 　　(4) ? 　　其中,dy和dx为曲线BD在Y和X方向的微元。 ? 　　根据在P点位置的斯涅尔定律[3][4],有如下关系： ? ? 　　图 5 X剖面,上表面配光设计的数学模型 　　Fig. 5 Mathematic modeling along the longitude cross section ? 　　针对上表面在X方向上的配光,其数学模型如图 5所示。根据柱面镜底部AB轮廓线上P点位置的斯涅尔定律,有 ? 　　(6) ? 　　再根据Q (x, y)点位置的斯涅尔定律,有如下关系式： ? 　　(7) ? 　　式中,a为竖直线QV与出射光线QR的夹角,b为法线QN与竖直线QV之间的夹角,q为LED的出射角,q￠为P点位置的折射角,n为透镜材料的折射率。为了配成蝙蝠翼状的光强的远场角度分布,当LED的出射角q从0°变化到76°时,输出光线满足以下的关系： ? 　　, if q ￡60°(8) 　　(10) ? 　　联合公式(6)至(10),上表面的马鞍形曲线CF的数值坐标可以用积分迭代法一一计