LED路灯光学设计及优化技术的研究.doc

LED路灯光学设计及优化技术的研究 摘要 1 关键词 1 1. 技术背景 1 2. 全反射式二次光学透镜的设计 2 3. 全反射式二次光学透镜的计算机模拟 6 4. 结论 9 5. 参考文献： 9 摘要：二次配光设计是直接决定LED路灯的输出效率、配光分布、均匀度及眩光程度的重要环节。绿色环保的城市道路照明要求LED路灯产生正好覆盖马路的长方形的光斑，对马路之外的其他地方譬如居民楼和建筑物的光污染尽量的少。本文采用XY非轴对称的自由曲面二次光学的配光设计来实现此目标。使得在单个透镜模组上就可以完成高效率长方形的输出光斑和截光设计。整个路灯的结构非常简洁， LED透镜模组排列规范，简化了LED路灯的机械结构、散热结构、以及驱动控制。本文介绍了一种全反射型的二次光学透镜的设计，该透镜可以实现很高的输出光效率以及较均匀的长方形光斑。 关键词：LED路灯、二次光学、全反射透镜 LED路灯的现状 虽然LED技术近几年飞速发展，但LED应用于道路照明领域仍然尚未成为主流，但在各国及地区政府的资助下已开始进行颇具规模的测试与应用。此外，由于节能环保趋势及相关法令相继出台，亦加速推动了LED路灯进入市场的进程。 由于道路照明的潜在市场庞大，所以大量企业争相加入这个领域，但是真实藉由市场行为获利的企业却很少，总结其原因在于目前不论是产品、市场还是标准都处于过渡时期，因各国及地区标准差异性大且变动迅速，此亦促使企业、产业链及社会成本提升，进而压缩了企业的获利空间。 归纳过往发展历程及未来LED于道路照明的趋势，将可区分为三个阶段，如下： 准备阶段（2004-2008年） 本阶段中一些重要技术已得到发展及突破，其中2007-2008年路灯小规模示范工程出现，客户开始学习和了解这一技术，同时相关标准及规范草案陆续出台。 发展阶段（2008-2012年） 此一阶段为过渡时期且发展迅速的阶段，以政府及系统整合业者为主的市场推动者开始推动LED路灯市场化，LED照明系统将安装在公园和公共区域，同时大量不同领域的发展商于此时加入并争夺市场。于此阶段，由于来自市场需求的牵动，致使针对室外照明不同应用标准化的需求亦显紧迫。 完全成熟阶段（2012年以后） 地区性龙头企业将会出现，而小型企业将被淘汰，最终不能提供有效节能和长寿命产品的企业亦会被自然淘汰[7]。 LED照明的特点及问题 与传统路灯系统相比，LED路灯具以下特点： 1.灯源及发光机理的不同； 2.系统的集成特性及延伸性不同； 3.影响系统效能的关键因子不同； 4.系统工程需求不同。 技术背景 LED固体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，把光充分分配到所需要照明的马路上，防止光污染和眩光。 二次光学设计是决定LED路灯的配光曲线、输出光效、均匀度、以及眩光指数的一项重要技术。现有市场上大部分的高功率白光LED的光度分布是朗伯分布，光斑是圆形的，峰值光强一半位置处的光束角的全宽度约为120o。LED路灯如果没有经过二次光学的配光设计，那么照在马路上的光斑会是一个“圆饼”，如图1(a)所示，大约一半左右的光斑会散落到马路之外而浪费掉，并且光斑的中心会比较亮，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的明暗相间的光斑分布，对司机造成视觉疲劳，引发事故。这种情况下的LED路灯就不能叫做“节能”和“绿色照明”了。国家城市道路照明设计标准要求LED路灯的光斑如图1(b)所示，光斑为长方形，正好可以覆盖马路，并且有很好的均匀性。LED的二次光学技术，不同于其他的学科，是一门涵盖非成像光学和三维曲面建模的交叉学科，二次光学的设计可以有效解决LED路灯的出光效率、均匀性、配光角度、眩光和安全性等问题，提供符合于国家标准所要求的配光，真正实现环保和绿色的照明。另外LED路灯有较好的显色指数(CRI)，根据需要可以调节不同的色温使其可以满足白天、晚上、晴天和雨天等不同的环境。 全反射式二次光学透镜可以收集从LED芯片发出的全部180o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。 图1(a)没有经过二次光学配