LED路灯自由曲面二次光学透镜的设计

社 ，2005：123. [ 2 ] 怀素芳，李 旭 ，崔 敏 敏.新 一 代 照 明 光 源 白 光 LED 的 发 展
概况[ J ].物理通报，2007(11)：53- 55.
A軑1(1,θ1,φ1)决定，求解方程 z=z(x,y)，可 求 得 路 灯 LED 自 由曲面透镜的面型数据。
本文中利用 FORTRAN 程序设计语言对以上式子 进行求解， 设计 1 个能够在 10 m 远的受照面上形成 40 m×14 m 的矩形光斑的自由曲面透镜，令光源与透 镜距离为 10 mm。 求得自由曲面上的面型数据，并通过
近年来， 自由曲面由于具有可以自由分配光强和 控制光线角度的功能而广泛地应用于照明光学设计， 尤其是解决 LED 照明均匀性问题。 自由曲面作为一种 不规则的曲面没有统一的数学表达式进行描述， 因此 在自由曲面建模上需要建立的微分方程对选定的对象 进行设计。 本文利用网格划分方法建立光源对于光学 元件的入射光线与设计目标上的出射光线一一匹配的 关系， 通过求解微分方程组来求得自由曲面的面型数 据[ 3,4]。 在网格划分方法中，首先假设 LED 出光面为均 匀球面出光，将球面划分为网格，由网格中出射的光线 所携带的能量将与受光面矩形光斑中的网格中入射光 线所携带的能量一一对应。 本文利用网格对应方法解 微分方程组获得自由曲面透镜模型， 以获得受光均匀 的矩形光斑[ 5,6]。 1 白光 LED 光源的选择
为提高对 LED 光源的光提取效率， 并方便横向小 角 度 方 向 的 二 次 光 学 设 计 ， 本 文 采 用 美 国 Cree 公 司 XR- E 系列的大功率白光 LED 光源， 该光源发光角度 为 90°，散热好，性能稳定，其结构见图 1。
2 自由曲面透镜的设计
在自由曲面透镜的设计中， 将 LED 光源作为点光 源，自由曲面透镜设定边缘为圆形，外表面为平面，内
0 引言
发光二极管(Light Emitting Diodes,LED)是 1 种重要 的固态光源，具有低成本、寿命长、色温可选以及环保 节能等优点[ 1]。它可以广泛地应用于照明、显示等领域。 近 年 来 ， 尤 其 在 LED 道 路 照 明 应 用 中 得 到 较 快 的 发 展。 在 CJJ45- 2006 城市道路照明设计标准 中要求，路 灯的配光为矩形光斑， 路灯发出的光都应分布在路面 上，路面外的部分接收光几乎为 0，以免对远处的车辆 或行人产生眩光。 在传统的以高压钠灯为光源的道路照 明中，利用在抛物面、椭球面等二次圆锥曲面上进行反 射加透射结构的光学设计，形成要求的矩形光斑[2]。 LED 是一种朗伯体光源，辐射角为 90°～120°，直接照射在 路面上会形成 1 个面积较大的圆形光斑。 为了有效利 用 光 线 ，并 且 满 足 道 路 照 明 要 求 ，需 要 对 LED 进 行 二 次光学设计，希望由 LED 发出的光会在路面形成照度 均匀的矩形光斑。
Pcz=20×0.8=16 kPa， faz=fak+ηdγ（m d+z- 0.5） =120+1.0×20×(0.8+0.8- 0.5) =142 kPa， Pz+Pcz=121+16=137 kPa＜faz=142 kPa。 因此，须换填 0.8 m 方可满足要求。
经综合以上计算， 厂房内吊装区域道路换填厚度 为 1.0 m，外围区域吊装道路换填厚度为 0.8 m。
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ÁÃÂÁ2011年第9期
表面为自由曲面。
2011 年 9 月
图 1 Cree XR- E 系列白光 LED 光源结构图
透 镜 介 质 材 料 为 聚 碳 酸 酯 (简 称 PC)， 折 射 率 为 1.59。 设计在 XY 轴上非对称的长方形自由曲面的光学 元件，在 X 轴上产生±60°的均匀分布配光，满足道路 长度方向上的照明要求； 在 Y 轴上产生±30°的均匀 分布配光，得到具有矩形光照效果的配光方案。
[1? n2? 2n(A2−A1)] N ? n A − A ，
参考文献：
(1)
[ 1 ] 吴 玲.中 国 半 导 体 照 明 产 业 发 展 报 告[ M ].机 械 工 业 出 版
[1? n2? 2n(A1−A2)] N ? A − nA ，
(2)
出 射 光 线 单 位 矢 量 A軑3(1,θ3,φ3) 由 入 射 光 线 单 位 矢 量
路照明标准的 LED 路灯配光方案，使 LED 模组直接实现矩形配光。 考虑封装后 LED 的实际配光曲线应用网格对应法利用
计算软件标定自由曲面二次光学透镜的离散数据点坐标，对透镜结构进行建模。
关键字： LED 路灯；二次光学设计；自由曲面透镜；划分网格法
中图分类号： TN94
文献标识码： A
文章编号： 2095- 0802- (2011)09- 0073- 02
光 源 的 一 条 光 线 A軑 1， 先 经 内 曲 面 折 射 为 A軑 2， 再 经 外 平面折射为A軑3，发生折射的两处法向矢量分别为N軑1，、N軑2， 由矢量形式的折射定律有
图 3 圆形透镜的内曲面造型
3 总语
笔者设计出了 1 个能够在 10 m 远的受照面 上形 成 40 m×14 m 的矩形光斑的自由曲面透镜， 在灯具 应 用 中 只 需 将 单 个 LED 单 元 的 光 输 出 进 行 简 单 的 叠 加，直接由 LED 的自由曲面二次配光来完成，满足道路 的照明要求。 自由曲面的面型数据求解较为简单，对于 不同的道路，只要根据具体要求，改变 LED 的数量和灯 个月的施工全部钢结构吊装完成，场 地状况良好满足了施工要求。
（ 责任编辑：高志凤）
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MATLAB 做出图形，得到所求自由曲面如图 3 所示。
（ 责任编辑：高志凤）
軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑軑
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因此， 换填 0.6 m 无法满足要求， 取换填厚度为 0.8 m 重新验算如下。
Pz =1.2 ×8.76 （ 243- 20 ×0.8） / (1.2+2 ×0.8tg28) (8.76+2×0.8tg28)=2386/19.7=121 kPa，
Free-form Second Optical Lens Design of LED Streetlamp
YU Li-yuan
(School of Electronic Engineering and Automation, Tianjin 300387, Tianjin, China)
Abstract: As the advantage of high efficiency and long life, semiconductor light-emitting diode (LED) light-emitting become the trend of road lighting applications. In order to get the rectangle and uniform lighting and meet the standards of the city road lighting, the free -form lens of the second optical is designed, and it can compose the LED module. Considering the actual package and the LED light distribution curve and using grid computing method corresponding calibration method the free-form surface of the second optical lens discrete data point coordinates is obtained, and get the structure of the lens model. Key words: led streetlamp; second optical design; free-form lens; grid method
[ 3 ] 杨 毅,钱可元，罗 毅.一种新型的基于非成像光学的 LED 均匀照明系统[ J ].光学技术,2007，33(l)：110- 112.
[ 4 ] 严 萍.李剑清.照明用 LED 光学系统的计算机辅助设计[ J ]. 半导体光电，2004，25(3)：1- 3.
[ 5 ] 项 震,叶关荣.道路照明的计算机仿真[ J ].照 明 工 程 学 报 ， 2001，12(3)：1- 4.
2011 年第 9 期（ 总第 72 期）
2011 年 9 月
技术研究
LED 路灯自由曲面二次光学透镜的设计
于莉媛
（ 天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387）
摘 要： 半导体发光二极管（ LED） 的发光效率高、寿命长等优点，使其成为目前道路照明中的应用趋势。 针对 LED 在道
路照明上的应用，为获得路面上均匀的矩形配光效果对选定的 LED 进行自由曲面二次光学透镜的设计，设计出符合城市道
收稿日期：2011- 08- 03 基金项目：科技部科技人员服务企业项 目（ 2009GJA10002） ；天 津 市 教 委 滨 海 新 区 科 技 特 派 员 项 目 (20090012)。 作 者 简 介 ：于 莉 媛 ，1980年 生 ，女 ，吉 林 吉 林 人 ，2007年 毕 业 于 上 海微系统与信息技术研究所微电子学与固体电子学专业，讲师。