自由曲面LED配光设计

陈海军,朱伯明,褚才良,石岩(.宁波燎原灯具股份有限公司,浙江宁波35408；.中国计量学院,杭州3008)

自由曲面LED配光设计

陈海军1,朱伯明1,褚才良1,石岩2
(1.宁波燎原灯具股份有限公司,浙江宁波315408；2.中国计量学院,杭州310018)

摘要：自由曲面灵活的空间布局和设计自由度，能够简化光学系统的结构，提高照明效果。本文介绍了自由曲面的应用以及发展现状、构造光学自由曲面的原理，并给出了求解自由曲面面型、光学追迹模拟与结果分析的实例，发现对LED光源的自由曲面透镜设计中，需要对目标面照度进行一定的过校正。

关键词：自由曲面;光学设计;LED;照明

0引言

由于LED具有体积小、寿命长、电光效率高、环保节能等诸多优点，使其得到了迅速发展。大部分LED光源的辐射角分布为110度至120度的朗伯(Lambertian)分布,需要进行配光设计，以达到所需光分布。在路灯应用中，《城市道路照明设计标准》（CJJ45）要求路灯的配光为长方形的光斑,使光尽量分布在路面上，提高光能利用效率的同时,还要避免产生眩光[1]。̓̓

LED路灯光学系统的设计成为LED路灯照明的一个技术关键。此设计应充分考虑其光学特性，完全摒弃传统灯具的设计理念，为LED光源专门设计不同的灯具。本文充分考虑了LED的发光特性，介绍了用于LED照明配光的自由曲面透镜设计方法，并介绍了一个设计实例。

1非成像光学与LED配光

如今，随着照明技术的不断发展，非成像光学越来越多的被应用到照明领域。通过非成像光学设计，比如将聚光器反向应用，能够将光线汇聚成很小的发散角，实现高效率的照明。基于非成像光学理论的照明系统，主要包括CPC、自由曲面等照明系统[2-3]。̓̓

一般LED的发散角比较大，但如果光接受面距离LED较远时，由于发散角过大，光很难有效投射到被照射的物体上。因此，将LED应用于通用照明，对其出射光的发散角进行调整是很有必要的，这就关系到LED的二次光学设计。通常在LED外面加装反光碗或透镜以对LED的出射光线进行调整，来控制LED的空间光强分布。本文采用的便是加装自由曲面透镜的方法[3]。

2自由曲面的设计原理

光源的发光特性和目标面上的照度分布，根据能量守恒满足如下公式：̓

则有：̓̓

2.1非球面的设计̓̓

图3自由曲面设计原理图

下一个P点在上一个P点所在面的切线上，̓

写为矢量形式的折射定律为：̓̓

由于光源光强分布不都是朗伯分布，目标面上的照度分布也不要求是均匀的，因此前面的程序不适合具有任意光强分布，任意照度分布的系统设计。

由 ̓̓

3设计实例

利用以上方法，进行了旋转对称自由曲面的设计，以获得均匀照明。由于LED非理想点光源，因此设计过程中，需要对目标照度分布进行过校正。设计的自由曲面曲面如图2所示。

图2自由曲面透镜曲线

其中自由曲面透镜厚度为8mm，其最大收集光角度为60o,光源到自由曲面透镜距离为5mm，自由曲面透镜到接收屏距离为38mm，接受面为半径为23mm的圆面。

设计中以照度均匀性和光能利用率为目标进行优化，调整参数。̓̓首先采用照度分布E[110.90.90.80.90.911]，得到相应照度分布如图3所示。

图3自由曲面配光照度分布

采用照度分布E[0.90.90.80.70.60.60.60.50.5]得到相应照度分布如图4所示。光能利用率为71%，光照均匀度为[1-(730-520)/2/620]*100%=83.1%。

采用照度分布E[10.90.90.80.70.70.70.60.6]得到相应照度分布如图5所示。

光能利用率为74.13%，光照均匀度为[1-(660-450)/2?550]*100%=81.0%。

图4自由曲面配光照度分布

图5自由曲面配光照度分布

4结语

利用程序法设计自由曲面，可以获得较高的能量利用率和高均匀性照明，但对于有一定发光面积的LED光源，需要对目标照度进行一定过校正。

参考文献:

[1]中国建筑科学研究院.CJJ45-2006道路照明设计标准[S].中国建筑工业出版社,2007(07):7-12.

[2]蒋金波.自由曲面LED路灯透镜设计[J].液晶与显示,2008,05(23):23-30.

[3]王声学,吴广宁.LED照明及其原理应用[J].灯与照明,2006(04):10-18.