摘　要: LED 的二次光學元件設(shè)計對LED 路燈的配光及光學輸出效率至關(guān)重要。良好的道路照明要求LED 路燈的配光為長方形的光型, 路燈發(fā)出的所有光剛剛可以覆蓋住馬路, 而馬路之外的光污染幾乎為零。非對稱自由曲面二次光學元件的采用可以使LED 路燈的長方形配光直接在單個LED 模組上實現(xiàn)。整體路燈只需要將這些LED 模組陣列按照相同方向排列即可, 從而可以簡化路燈機構(gòu)、散熱及控制電源的設(shè)計。本文介紹了LED 路燈的二次光學設(shè)計, 及一種用于LED 路燈的自由曲面二次光學透鏡的設(shè)計方法。關(guān)鍵詞: LED 路燈; 自由曲面; 二次光學元件; 配光; 道路照明; 散熱1 　背景LED (發(fā)光二極管) 技術(shù)的發(fā)展開辟了照明技術(shù)革命的新時代。由于LED 具有體積小、壽命長、電光效率高、環(huán)保節(jié)能等諸多優(yōu)點。使得LED 路燈照明技術(shù)在最近幾年得到了迅速發(fā)展。目前, 市面上單顆LED 光源的實際已經(jīng)可以做到了每瓦100 流明, 采用傳統(tǒng)250 瓦鈉燈作光源的路燈, 用LED 光源代替之后, 大概只需要60 多顆LED 就可以產(chǎn)生相同的亮度, 從而極大地節(jié)省了能源的消耗。由于大部分LED 光源的輻射角分布為110 度至120 度的郎伯(Lambertian distribution) 分布, 如果沒有經(jīng)過配光設(shè)計, 照在地面上的光型將會為面積較大的圓型的光斑, 約50 %的光散落到馬路之外沒有被利用起來, 而且會對遠處的車輛或行人產(chǎn)生眩光,與路面照明的要求不符?！冻鞘械缆氛彰髟O(shè)計標準》要求路燈的配光為長方形的光斑, 將幾乎所有的光都分布在路面上[1 ] 。對于主干道還需要采用截光型或半截光型的配光設(shè)計, 一方面可以提高光的利用效率, 另一方面還可以避免產(chǎn)生眩光。2 　LED 路燈的配光設(shè)計關(guān)于LED 路燈的配光設(shè)計有很多種, 最常見的有以下兩種:第1 種是弧形排列的LED 路燈。單個LED 模組采用軸對稱的全反射透鏡或反光杯進行配光, 透鏡配光的輻射角寬度足以覆蓋道路的寬度; 再將LED模組排列在一個弧面上, 通過調(diào)整弧面的曲率在道路方向產(chǎn)生一個長方形的光型分布。圖1 為弧形排列的一個LED 路燈的設(shè)計, 路燈采用了60 顆高功率OSRAM朗伯分布的Golden Dragon LED , 單顆LED的輸出光通量為每瓦80 流明。透鏡設(shè)計采用軸對稱的透射———全反射組合結(jié)構(gòu), 如圖2 所示。透鏡中間部分為一平凸非球面透鏡。平凸非球面透鏡將從LED 出射的與光軸夾角±64°內(nèi)的光均勻分布在±30°范圍之內(nèi)。剩余64°～90°部分的光透過透鏡內(nèi)部側(cè)面的柱面之后, 由外邊傾斜的曲面進行全反射, 這部分的反射光再經(jīng)過上表面的錐面透射后也形成±30°范圍內(nèi)的分布。透鏡的透射部分和全反射部分的光束經(jīng)疊加后, 最后形成一個±30°范圍內(nèi)比較均勻的光束分布(均勻度大于60°) 。透鏡的光線追跡和光強的遠場角度分布見圖3 , 光強的遠場角度分布為蝴蝶形。 LED 路燈的構(gòu)成方法為將LED 透鏡模組排列在一個弧面上, 通過調(diào)整弧面的曲率, 使燈頭在弧面方向形成±60°左右的配光, 于是燈頭安裝在10 米高的時候可以在路面上產(chǎn)生約長度約35 米, 覆蓋215 個車道寬度約為10 米的方形的光型。這種LED 路燈的二次光學元件(透鏡或反光杯) 的設(shè)計和加工較為簡單, 引入全反射透鏡可以最大可能地提高光的利用效率, 理論計算的效率超過98 %。但由于透鏡材料本身的透射率約為92 % ,實際注塑出來的透鏡效率約90 %。透鏡需要產(chǎn)生一定的角度分布以便在要求的高度位置覆蓋住所需的道路寬度, 而道路方向的配光則通過LED 排列的弧面來調(diào)整。弧形排列的LED 路燈比較美觀, 不利因素是弧形的排列使高功率LED 的散熱板設(shè)計和燈頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為麻煩。第2 種是平面排列的LED 路燈。LED 路燈的設(shè)計采用了XY方向非對稱的長方形配光的自由曲面光學元件(透鏡或反光杯) , 長方形的配光直接在單個LED 光學元件上完成, 整體路燈只需將具有長方形配光的LED 模組簡單的排列在一個平板上即可,這種LED 路燈在機械結(jié)構(gòu)、散熱及電源控制方面比較簡單, 不同等級公路和不同燈桿高度的道路照明只需要增加不同數(shù)量的LED 模組即可。由于配光為長方形非對稱的分布, 簡單軸對稱的全反射透鏡無法實現(xiàn), 需要采用非對稱自由曲面的透鏡, 透鏡的設(shè)計和加工工藝比較復雜。這里將重點介紹這種自由曲面透鏡的設(shè)計。 由于一般的光學軟件(如Zemax , CodeV 等) 針對自由曲面的優(yōu)化設(shè)計方法不夠成熟, 設(shè)計一個非對稱的自由曲面需要花很多的時間用手工不斷反復的調(diào)整和設(shè)置操作參數(shù), 一個比較復雜的自由曲面往往需要多達一個月甚至幾個月的時間, 有時所優(yōu)化出來的曲面, 光學效率還不夠理想。這里采用了邊緣光線擴展度( Etendue) 守恒的原理創(chuàng)建了一套自由曲面控制網(wǎng)格的節(jié)點矢量的精確計算方法, 可以在較短時間內(nèi)(一般為幾個小時甚至更短) 優(yōu)化出具有最優(yōu)效率及精確配光的自由曲面光學元件。邊緣光線的擴展度守恒原理如圖4 所示, 它結(jié)合了邊緣光線原理[2 ] 及光源的擴展度守恒( Etendue Conservation) [3 ] 。光源經(jīng)過光學系統(tǒng)到達目標是個數(shù)學映射的關(guān)系。通過自由曲面的邊緣的那部分光線,經(jīng)過映射后, 也對應于目標的邊緣, 自由曲面中間連續(xù)的部分, 經(jīng)過映射后, 也在目標中間形成連續(xù)的分布。如果光學系統(tǒng)沒有損耗, 那光學系統(tǒng)的光源及目標的擴展度是守恒的。擴展度為光源或目標第19 卷第4 期蔣金波等: LED 路燈透鏡的二次光學設(shè)計介紹61的面積與光線發(fā)散角所形成的立體角的乘積。根據(jù)這一原理, 可將目標及自由曲面分割成等量的網(wǎng)格(如圖4 中的V&U 網(wǎng)格及Y&X 網(wǎng)格) , 目標的網(wǎng)格節(jié)點與自由曲面的網(wǎng)格節(jié)點形成一一對應, 再根據(jù)目標節(jié)點的位置及法矢量, 就可以對應地精確計算出圖5 所示的自由曲面的控制網(wǎng)格的節(jié)點法矢量,從而生成所需要的自由曲面。邊緣光線的擴展度守恒原理可以由以下式子來表示:這種設(shè)計方法被用來設(shè)計LED 路燈的自由曲面透鏡, 路燈安裝高度為12 米, 路燈間隔40 米, 路面寬12 米(3 個車道) , 即路燈需要在路面上產(chǎn)生40 米長、12 米寬的方形光斑。根據(jù)這個要求, 需要設(shè)計在X方向產(chǎn)生±60°內(nèi)均勻分布的配光, 在Y方向產(chǎn)生±30°內(nèi)均勻分布的配光的方形光斑的自由曲面透鏡。圖6 為用邊緣光線擴展度守恒方法設(shè)計的自由曲面透鏡。透鏡的控制網(wǎng)格的節(jié)點法線, 跟據(jù)邊緣光線擴展度守恒原理, 以及斯涅爾(Snell) 折射定律, 有以下公式(2) 的關(guān)系, 式中N 為法線矢量, A 為入射光線矢量, A′為出射光線矢量。 N = Nx i + Ny j + Nz k ;A = Ax i + Ay j + Az k ;A′= Bx i + By j + Bz k ;將透鏡曲面和目標光斑分成等量的網(wǎng)格, 根據(jù)入射光線及出射光線的Snell 方程, 將網(wǎng)格的節(jié)點矢量一一對應, 整個曲面的控制網(wǎng)格由計算機迭代法算出, 最后將控制網(wǎng)格蒙上蒙皮形成曲面再填充后形成透鏡實體。整體路燈的光效模擬由光線追跡軟件LightTools 進行光線追跡, 如圖8 所示。模擬結(jié)果如圖9 至圖11 所示, 當路燈高度為12 米的時候,路燈在40 米×12 米的路面上可以產(chǎn)生非常均勻的配光。路燈的遠場角度分布為蝙蝠翼形, 輻射強度X方向的峰值光強的一半約為±60°, 輻射強度Y方向的峰值光強的一半約為±30°。路燈的光型如圖11所示, 實物照片如圖12 所示, 路燈光形測試結(jié)果通過國家城市道路照明設(shè)計標準CJJ 45 —2006。圖12  采用自由曲面透鏡的LED路燈實物照片3 　結(jié)論本文主要介紹了兩種LED 路燈的配光設(shè)計并重點介紹了一種非對稱配光的自由曲面透鏡的光學設(shè)計。第一種LED 路燈采用了軸對稱的全反射透鏡或反光杯, LED 透鏡模組排列于一個弧面上以產(chǎn)生長方形的配光。全反射透鏡的引入可以極大地提高光的利用效率, 但是弧形的LED 模組的排列使高功率LED 的散熱板設(shè)計和機械結(jié)構(gòu)較為麻煩。第二種LED 路燈采用了非對稱的自由曲面透鏡, 可以將長方形的配光直接由單個LED 光學元件完成。整體燈頭只需將具有長方形配光的LED 模組簡單的排列在一個平板上即可, 這種LED 路燈在機械結(jié)、散熱、及電源控制方面比較簡單, 不同等級公路和不同燈桿高度的道路照明只需要增加不同數(shù)量的LED模組即可。自由曲面的設(shè)計采用了邊緣光線擴展度(Etendue) 守恒的原理, 創(chuàng)建了一套自由曲面控制網(wǎng)格的節(jié)點矢量的精確計算方法。使透鏡在X 方向產(chǎn)生±60°內(nèi)均勻分布的配光, 在Y方向產(chǎn)生±30°內(nèi)均勻分布的配光的方形光斑。