LED路灯光学设计及优化技术论文.doc

LED路灯光学设计及优化技术的研究
陈加琦 邹念育
摘要1
关键词１
1. 技术背景1
２。ﻩ全反射式二次光学透镜的设计ﻩ2
3。 全反射式二次光学透镜的计算机模拟６
4. 结论ﻩ9
5。 参考文献：９
摘要：二次配光ＥＤ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的设计
图２ 全反射式二次光学透镜的3D模型
,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120o(沿着道路方向)以及Ｙ方向60o(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”，即在Ｘ方向，输出光线的边缘光线的与光轴的夹角为±60o,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±30o。
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汇聚,汇聚后所有输出光线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±30o之内。剩下的从LED发出的往侧面方向的光,则由侧面的全反射棱镜进行进行配光。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，这部分的光也均匀分布在±30o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±７6o之内的光线,上表面“W"形状的曲面将这部分光线均匀分配在发散角为±60o一全反射棱镜,用来起截光的作用，收集剩下从LＥD发出的±７６ｏ～±90o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±３0o之内。两部分的光叠加一起后形成一光束角为±60o的光度分布，其光强的远场角度分布(配光曲线)为蝙蝠翼形.
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5的(a
)和（b）所示。图5(ａ）为用MATLＡB绘制的光路图，从LＥD射出的±４0o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±１9．6ｏ，经过上表面折射后,形成±3０o的出射光线。图5（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θ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δ；α为全反射棱镜入射面的拔模角，以利于中间柱面镜模芯的拔出，这里设置为２ｏ。
图4　内凹柱面镜Y方向剖面迭代公式变量图解
(１)
（２)
（3)
（a）
α
θ
θ
θ’
P
O
O’
Q(x,y)
γ=π/2-β
R
S
T
D
Z
β
γ
γ
δ
γ
θ’+γ
β- θ’
γ
α
A
B
C
N
（b)
图5（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θ角从90o变化到40ｏ时，反射角δ(即反射光线QR和竖直线QT之间的夹角）从0oo。从点Q（ｘ，y）的角度关系,可以得出以下的式子：
(4)
以及
(5）
从公式（1）及(２）,可得出以下的式子：
（6）
其中,β为曲线BD在点Q(x，y）处的切线角，γ为切线QZ与竖线QT的夹角,PＱ为P点位置的折射光线，θ/β的正切函数之间有如下的关系：
（７）
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:
（8）
因此：（9)
当θ角从90ｏ变化到４0ｏ时,δ从0ｏ渐变到1９。６o，假设AＢ的初始值为1ｍm,联合公式（4)、（5）、（6)、（7）、(８）和（9）,Ｑ(x，y)点坐标值可以通过数学模型的积分迭代法依次算出.
图6　全反射棱镜部分Y方向剖面迭代公式变量图解
（１0)
（11）
（1２）
（1３）
（１４）
图7 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7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
（１５）
再根据Q(x，y）点位置的斯涅尔定律,有如下关系式:
(16）
式中，α为竖直线QV与出射光线QＲ的夹角，β为法线ＱN与竖直线QV之间的夹角，θ为LED的出射角,θ/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