基于自由曲面透镜的LED路灯配光优化设计

摘要：为了提高光能利用率和照度均匀性，减小炫光的产生，需要对LED路灯进行二次光学配光设计。本文以空间光折射定律为基础，对LED光线空间和路面区域进行一一对应的网格划分，结合优化的双向迭代算法生成自由曲面透镜，实现矩形光斑输出。仿真结果表明，配光后的LED整体光能利用率为90.4%，能量基本被限制30m×13m的矩形区域内，水平方向和垂直方向的照度均匀度分别为83.2%和71.7%。当LED以30m间隔平行排列时，可以在路面形成宽度约为14m的光斑，垂直照度均匀度提高为77.2%。据此开模制造的LED路灯配光曲线为蝙蝠翼型，横向和纵向±62°和±40°范围内的平均照度分别为31.17lx和25.72lx，满足国家道路照明标准，实验验证了该透镜设计算法的可行性和实用性。

关键词：LED；自由曲面；优化设计；迭代；照度均匀度

0 引言

随着材料科学、半导体工艺的不断成熟和完善，LED(LightEmittingDiode,发光二极管)照明产业迅速崛起。相对于传统光源，LED具有节能环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等优点。同时，近年LED的光效得到了很大的提高，商用芯片已经达到150-200lm/W。这两方面的优势为LED替代高压钠灯成为城市道路照明的主力创造了有利条件。2009年，科技部推出了“十城万盏”半导体照明应用工程，加速推进LED路灯的市场化。然而，LED的空间光强分布近似朗伯分布，一般的LED发散角为120°-150°，大部分光能都集中在很小范围的立体角内，如果直接应用于道路照明，会在路面形成一个中心很亮的圆斑，约一半的光散落到马路之外并形成强烈的炫光，与路面照明的要求不符。良好的道路照明要求LED路灯的配光为长方形的光型，路灯发出的光可以在马路上形成近似均匀的照度，而马路之外的光污染几乎为零。为了解决以上问题，需要对LED进行二次配光设计，即增强LED路灯的照明均匀性，提高LED的光能利用率。

LED路灯常用的二次光学配光设计分为反射器和透镜两种。采用反射器相对加工简单，成本较低，而且光经过一次反射后直接射向路面，能量损失较小。但是反射器一般针对单颗LED芯片，而LED路灯是多颗芯片串并联形成模组，再多模组组成路灯灯具，不宜采用反射器。因此多数LED路灯使用自由曲面透镜进行配光。在自由曲面透镜的设计中，照明面网格的划分和算法的迭代方式至关重要。好的划分和迭代方式能够弥补算法上的不足，从而设计出更加合理的透镜结构。蒋金波等[8]基于边缘光线扩展度守恒原理，创建了一套自由曲面控制网格节点矢量的计算方法设计自由曲面透镜。SITUWen-chang等提出了一种基于反馈的分离变量映射的LED扩展光源自由曲面设计方法。这些方法在路面网格的划分上基本都是等面积的矩形，导致迭代算法只能从一个方向进行，路面照度和均匀性有改进的空间。颜稳萍等则采用双自由曲面结构设计大角度透镜，减小全反射并提高目标面的照度均匀性和出光效率，双自由曲面则提高了加工的难度和成本。

本文遵循光通量守恒原则，结合空间光折射定律，采用类似文献[6]的辐射状的等面积路面网格划分方法，通过优化的横向-纵向混合迭代算法得出自由曲面透镜，LED出射光经过透镜后可以实现在路面形成照度均匀的矩形配光，用这种方法开模并设计了一个200WLED路灯，实验结果验证了理论设计的可行性，取得了比较理想的效果。

1.自由曲面透镜设计与理论分析

LED发射的光线经自由曲面透镜折射后照射到目标面，根据空间光折射定律和光通量守恒原则，将自由曲面和目标面分成若干一一对应的网格，自由曲面和路面对应网格应有相同数目的光线透过。

如图1，空间光折射定律可表示为，

 点此下载：基于自由曲面透镜的LED路灯配光优化设计.PDF