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1、第23卷第5期液晶与显示Vol23,No52008年10月ChineseJournalofLiquidCrystalsandDisplaysOct.,2008文章编号:10072780(2008)05058906自由曲面的LED路灯透镜的设计*蒋金波,杜雪,李荣彬(香港理工大学工业及系统工程学系先进光学制造中心,香港九龙,Email:jilishi_optics@yahoo.com.cn)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。良好的道路照明要求LED路灯的配光为长方形的光型,路灯发
2、出的所有光刚刚可以覆盖住马路,而马路之外的光污染几乎为零。非对称自由曲面二次光学元件的采用可以使LED路灯的长方形配光直接在单个LED模组上完成。整体路灯只需要将这些LED模组阵列按照相同方向简单地排列即可,从而可以简化路灯机构、散热及控制电源的设计。介绍了LED路灯的光学设计,及一种用于LED路灯的自由曲面二次光学透镜的设计方法。关键词:LED路灯;自由曲面;二次光学元件;配光;道路照明;散热中图分类号:TM923.34;O435文献标识码:A由于大部分LED光源的辐射角分布为110~1引言120的郎伯分布,如果没有
3、经过配光,照在地面上发光二极管(LED)技术的发展开辟了照明技的光型将会为面积较大的圆型的光斑,约50%的术革命的新时代。由于LED具有体积小、寿命光散落到马路之外没有被利用起来,而且会对远长、电光效率高、环保节能等诸多优点,使得LED处的车辆或行人产生眩光,与路面照明的要求不路灯照明技术在最近几年得到了迅速发展。目符,如图1(a)所示。城市道路照明设计标准要前,市面上单颗LED光源实际已经可以做到了求路灯的配光为长方形的光斑,将几乎所有的光[1]100lm/W,采用传统250W高强度气体放电灯都分布在路面上,如图1(b)所示。对于主干
4、道作光源的路灯,用LED光源代替之后,大概只需还需要采用截光型或半截光型的配光设计,一方要60多颗LED就可以产生相同的亮度,从而极面可以提高光的利用效率,另一方面还可以避免大地节省了能源的消耗。产生眩光。2LED路灯的配光设计关于LED路灯的配光设计有很多种,最常见的两种是:第1种是弧形排列的LED路灯。单个LED模组采用轴对称的全反射透镜或反光杯进行配光,透镜配光的辐射角宽度足以覆盖道路的宽度;再将LED模组排列在一个弧面上,在道路方向产生一个长方形的光型分布。图2和图3为弧形排列的一个LED路灯的设计,路灯采用了72颗高功率LED,
5、单颗LED的输出光通量为60lm。透图1未经过配光(a)及经过配光(b)的路灯镜设计采用轴对称的全反射投射结构,先将Fig.1LightdistributionofLEDstreetlightwithoutopticaldesign(a)andwithopticaldesign(b)郎伯分布LED光源的光准直,然后再通过透镜上收稿日期:20080317;修订日期:20080626*通讯联系人,Email:mfsto@inet.polyu.edu.hk;sandy.to@inet.polyu.edu.hk590液
6、晶与显示第23卷表面的凹形非球面扩散,形成27.5的光度分布具有长方形配光的LED模组简单地排列在一个(在10m高处覆盖约2.5个车道的宽度)。LED平板上即可,这种LED路灯在机械结构、散热及透镜模组再排列在一个弧面上,弧面方向形成电源控制方面比较简单,不同等级公路和不同灯60左右的配光,于是在10m的高度产生长度杆高度的道路照明只需要增加不同数量的LED约35m,覆盖2.5个车道,宽度约为8m的方形模组即可。由于配光为长方形非对称的分布,较的光型。为简单的轴对称的全反射透镜无法实现,需要采这种LED路灯的二次光学元
7、件(透镜或反光用非对称自由曲面的透镜,透镜的设计和加工工杯)的设计和加工较为简单,引入全反射透镜可以艺比较复杂。这里将重点介绍这种自由曲面透镜最大可能地提高光的利用效率,透镜需要产生一的设计。定的角度分布足以在要求的高度位置覆盖住所需由于一般的光学软件(如Zemax,CodeV等)的道路宽度即可,而道路方向的配光则通过LED针对自由曲面的优化设计方法不够成熟,设计一排列的弧面来调整。不利因素是弧形的排列使高个非对称的自由曲面需要花很多的时间用手工不功率LED的散热板设计和灯头的结构设计较为断反复地调整和设置操作参数,一个比较复杂的麻烦。自由
8、曲面往往需要多达一个月甚至几个月的时第2种是平面排列的LED路灯。LED路灯间,有时所设计曲面,其光学效率还不理想。这里的设计采用了XY方向非对称长方形配光的自由采用了边缘光线扩
