陳海軍,朱伯明,褚才良,石巖(.寧波燎原燈具股份有限公司,浙江寧波35408；.中國(guó)計(jì)量學(xué)院,杭州3008)

自由曲面LED配光設(shè)計(jì)

陳海軍1,朱伯明1,褚才良1,石巖2
(1.寧波燎原燈具股份有限公司,浙江寧波315408；2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院,杭州310018)

摘要：自由曲面靈活的空間布局和設(shè)計(jì)自由度，能夠簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高照明效果。本文介紹了自由曲面的應(yīng)用以及發(fā)展現(xiàn)狀、構(gòu)造光學(xué)自由曲面的原理，并給出了求解自由曲面面型、光學(xué)追跡模擬與結(jié)果分析的實(shí)例，發(fā)現(xiàn)對(duì)LED光源的自由曲面透鏡設(shè)計(jì)中，需要對(duì)目標(biāo)面照度進(jìn)行一定的過校正。

關(guān)鍵詞：自由曲面;光學(xué)設(shè)計(jì);LED;照明

0引言

由于LED具有體積小、壽命長(zhǎng)、電光效率高、環(huán)保節(jié)能等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其得到了迅速發(fā)展。大部分LED光源的輻射角分布為110度至120度的朗伯(Lambertian)分布,需要進(jìn)行配光設(shè)計(jì)，以達(dá)到所需光分布。在路燈應(yīng)用中，《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ45）要求路燈的配光為長(zhǎng)方形的光斑,使光盡量分布在路面上，提高光能利用效率的同時(shí),還要避免產(chǎn)生眩光[1]。??

LED路燈光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為L(zhǎng)ED路燈照明的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵。此設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮其光學(xué)特性，完全摒棄傳統(tǒng)燈具的設(shè)計(jì)理念，為L(zhǎng)ED光源專門設(shè)計(jì)不同的燈具。本文充分考慮了LED的發(fā)光特性，介紹了用于LED照明配光的自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法，并介紹了一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例。

1非成像光學(xué)與LED配光

如今，隨著照明技術(shù)的不斷發(fā)展，非成像光學(xué)越來越多的被應(yīng)用到照明領(lǐng)域。通過非成像光學(xué)設(shè)計(jì)，比如將聚光器反向應(yīng)用，能夠?qū)⒐饩€匯聚成很小的發(fā)散角，實(shí)現(xiàn)高效率的照明?；诜浅上窆鈱W(xué)理論的照明系統(tǒng)，主要包括CPC、自由曲面等照明系統(tǒng)[2-3]。??

一般LED的發(fā)散角比較大，但如果光接受面距離LED較遠(yuǎn)時(shí)，由于發(fā)散角過大，光很難有效投射到被照射的物體上。因此，將LED應(yīng)用于通用照明，對(duì)其出射光的發(fā)散角進(jìn)行調(diào)整是很有必要的，這就關(guān)系到LED的二次光學(xué)設(shè)計(jì)。通常在LED外面加裝反光碗或透鏡以對(duì)LED的出射光線進(jìn)行調(diào)整，來控制LED的空間光強(qiáng)分布。本文采用的便是加裝自由曲面透鏡的方法[3]。

2自由曲面的設(shè)計(jì)原理

光源的發(fā)光特性和目標(biāo)面上的照度分布，根據(jù)能量守恒滿足如下公式：?

則有：??

2.1非球面的設(shè)計(jì)??

圖3自由曲面設(shè)計(jì)原理圖

下一個(gè)P點(diǎn)在上一個(gè)P點(diǎn)所在面的切線上，?

寫為矢量形式的折射定律為：??

由于光源光強(qiáng)分布不都是朗伯分布，目標(biāo)面上的照度分布也不要求是均勻的，因此前面的程序不適合具有任意光強(qiáng)分布，任意照度分布的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

由 ??

3設(shè)計(jì)實(shí)例

利用以上方法，進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)對(duì)稱自由曲面的設(shè)計(jì)，以獲得均勻照明。由于LED非理想點(diǎn)光源，因此設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)目標(biāo)照度分布進(jìn)行過校正。設(shè)計(jì)的自由曲面曲面如圖2所示。

圖2自由曲面透鏡曲線

其中自由曲面透鏡厚度為8mm，其最大收集光角度為60o,光源到自由曲面透鏡距離為5mm，自由曲面透鏡到接收屏距離為38mm，接受面為半徑為23mm的圓面。

設(shè)計(jì)中以照度均勻性和光能利用率為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整參數(shù)。??首先采用照度分布E[110.90.90.80.90.911]，得到相應(yīng)照度分布如圖3所示。

圖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]得到相應(yīng)照度分布如圖4所示。光能利用率為71%，光照均勻度為[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]得到相應(yīng)照度分布如圖5所示。

光能利用率為74.13%，光照均勻度為[1-(660-450)/2?550]*100%=81.0%。

圖4自由曲面配光照度分布

圖5自由曲面配光照度分布

4結(jié)語(yǔ)

利用程序法設(shè)計(jì)自由曲面，可以獲得較高的能量利用率和高均勻性照明，但對(duì)于有一定發(fā)光面積的LED光源，需要對(duì)目標(biāo)照度進(jìn)行一定過校正。

參考文獻(xiàn):

[1]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.CJJ45-2006道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007(07):7-12.

[2]蔣金波.自由曲面LED路燈透鏡設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示,2008,05(23):23-30.

[3]王聲學(xué),吳廣寧.LED照明及其原理應(yīng)用[J].燈與照明,2006(04):10-18.