一种全反射型的led路灯透镜光学设计附图-中国led网.doc

一种全反射型的LED路灯透镜光学设计（附图）光学LED路灯光斑透镜LED透镜模组，按照同一个方向排列在一块平面的PCB板上即可，简化了LED路灯的机械结构、散热管理、以及电源光效配光曲线 　　1、技术背景 　　LED固态半导体照明LED芯片功率白光LED显色指数色温 　　图1(a)没有经过二次光学设计的LED路灯的光斑，(b)经过二次光学配光设计的LED路灯的光斑 　　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（点击放大） 　　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 图3：Y和X剖面的设计原理 ??? 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) 图4(a)内凹柱面镜Y方向剖面在Zemax中的光路图，(b)全反射棱镜部分Y方向剖面的数学建模 　　当q角从90°变化到40°时，反射角d（即反射光线QR和竖直线QT之间的夹角）从0°变化到19.6°。从点Q(x,y)的角度关系，可以得出以下的式子： ??????? (1) ??????? 以及： ??????? (2) ??????? 从公式(1)及(2)，可得出以下的式子： ??????? (3) 　　其中，b为曲线BD在点Q(x,y)处的切线角，g为切线QZ与竖线QT的夹角，PQ为P点位置的折射光线，q￠为PQ与水平线之间的夹角。曲线BD的导数和切线角b的正切函数之间有如下的关系： ??????? (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： 　　因此： ??????? (5) 　　当q角从90°变化到40°时，d从0°渐变到19.6°，假设AB的初始值为1mm，联合公式(1)、(3)、(4)、和(5)，Q(x,y)点的坐标值可以通过数学模型的积分迭代法依次算出。 图5：X剖面，上表面配光设计的数学模型 　　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： ??????? ,ifq￡60°(8) ??????? 以及 ??????? ,if60 　　再根据以下曲线CF的微分和切线QS的正切角函数之间的关系： ??????? (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算出来。 在X方向剩余从LED射出的角度q为76°至90°的这部分光线，如果不经过配光直接射出，则会对远处的车辆产生眩光，这部分的光需要进行截光设计，所谓截光设计，并不是把这部分的光遮挡，而是将这部分的光重新分配到所需要的地方。这里采用透镜两端的全反射面EF将这部分光进行收集并重新分配，计算方法同上述图4的算法计算机ics）中进行3维实体模型的建立。将二次光学透镜实体连同LED的实体模型输入到LightTools[5]中进行光线追迹，如图6所示。LED芯片的发光面赋予1′1mm的郎伯型的发光特性，输出光通量流明??? ? 图6：全反射式二次光学透镜的光线追迹 　　图7为单颗透镜在12米远处的照度 图7：单颗透镜在12米远处的照度分布（点击放大） 图8：单颗透镜光强的远场角度分布 ??? 4、LED路灯的整灯的计算机模拟 　　由于一般的道路照明要求路面照度