LED路燈的二次配光

1、LED路燈的二次配光摘要隨著LED丁的效率大大提高，LED迅速進(jìn)入商業(yè)照明市場(chǎng)，逐漸取代傳統(tǒng)光源，成為21世紀(jì)的主要光源。LED強(qiáng)勁誘惑，主要廠商紛紛投資LED行業(yè)。本文將使用TracePro軟件設(shè)計(jì)具有二次分布的LED燈的窄光分布，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試來(lái)說(shuō)明LED照明設(shè)計(jì)應(yīng)用中的仿真軟件。關(guān)鍵詞：LED路燈、TracePro軟件設(shè)計(jì)、二次配光、仿真軟件AbstractWiththeLEDlightefficiencygreatlyimproved,LEDquicklyenteredthecommerciallightingmarket,andgraduallyreplacethetradition

2、allightsource,becomethemainlightsourceofthe21stcentury.LEDstrongtemptation,themajormanufacturershaveinvestedinLEDindustry.ThisarticlewilluseTraceProsoftwaretodesignanarrowlightdistributionofLEDlightswiththesecondarydistribution,andthroughexperimentalteststoillustratethesimulationsoftwareinLEDlightin

3、gdesignapplications.Keywords:LEDstreetlight,TraceProsoftwaredesign,secondarylightdistribution,simulationsoftware摘要1Abstract1引言3LED路燈配光的特點(diǎn)和要求31.1 LED路燈配光形狀特點(diǎn)31.2 道路照明標(biāo)準(zhǔn)配光要求41. 3LED路燈的配光曲線4LED二次配光透鏡52.1 LED二次配光透鏡的分類62.2 LED透鏡材料的種類及其優(yōu)缺點(diǎn)62.3 二次透鏡使用環(huán)境及要求62.4 二次配光透鏡的設(shè)計(jì)、加工與生產(chǎn)72.5 小結(jié)7LED路燈配光方案及分析82.6 LED路燈的

4、二次配光82.7 二次配光設(shè)計(jì)9TracePro92.7.1 仿真設(shè)計(jì)10實(shí)驗(yàn)測(cè)試152.7.2 結(jié)果分析16總結(jié)16參考文獻(xiàn)18致謝18引言LED（發(fā)光二極管）是21世紀(jì)競(jìng)爭(zhēng)激烈的新型固體光源。與傳統(tǒng)光源相比，LED壽命小，能耗低，控制靈活。在道路照明方面，隨著白光LED技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)LED光通量不斷增加，LED取代傳統(tǒng)的LED燈光源將成為一種趨勢(shì)。光源在光強(qiáng)分布的方向是光分布.LED路燈是盡可能使光線照亮道路的各個(gè)區(qū)域，符合道路照明配光要求，LED路燈設(shè)計(jì)準(zhǔn)確到位是LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究未來(lái)取代傳統(tǒng)路燈LED路燈照明的關(guān)鍵因素之一，具有重要意義。1 LED路燈配光的特點(diǎn)和要求LED路

5、燈配光形狀特點(diǎn)在道路照明中，如果沒(méi)有LEDt源燈，路面上的光線較大的圓形斑點(diǎn)，會(huì)有部分光線散落在道路外不用，如圖1(a)所示所示。為了滿足路面亮度，照明，均勻性要求，盡可能使大部分的光分布在路面，提高光的利用率，減少不必要的浪費(fèi)，通常需要LED燈與LEDLED燈光照射對(duì)路燈的光線形狀或光線的輸出更好,如圖1(b)所示。(a)未經(jīng)配光(b)經(jīng)配光后圖1LED路燈配光示意圖1.1 道路照明標(biāo)準(zhǔn)配光要求根據(jù)城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，道路路燈分為高速公路和主干道，二級(jí)公路，防滑路，LED路燈照明標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合表1的規(guī)定。表1道路照明標(biāo)準(zhǔn)值路面亮度路面照度眩光限制閾級(jí)別道路類型平均亮度總均勻度縱向均平均照

6、均勻度值增量環(huán)境比LavUo勻度Ul度Eav(lx)UeT1(%)SR(cd/m2)最小值最小值維持值最小值最大初始值最小值快速路、主干路1.5/2.00.40.720/300.4100.5次干路0.75/1.00.40.510/150.35100.5支路0.5/0.750.48/100.315目前LED路燈研究主要集中在二次路和分支應(yīng)用中，光通量小的LED燈不能用于主路上的主要原因。主干道的應(yīng)用尚未成為L(zhǎng)ED技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。1.2 LED路燈的配光曲線光強(qiáng)度的空間分布通常被稱為光分布曲線。在路燈的底部，光強(qiáng)應(yīng)該是最小的，隨著仰角的增加，我增加了光的強(qiáng)度。函數(shù)關(guān)系為I=氣，即光分布曲cos-

7、線。道路照明單光理想的光分布曲線如圖2所示。由于光學(xué)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，光分布難以完全滿足關(guān)系的功能，可以減小投影角度的范圍，減少距離燈具要均勻照明。一般來(lái)說(shuō)，希望在蝙蝠翼光的分布后實(shí)現(xiàn)廣角。圖2理想配光曲線2 LED二次配光透鏡LED乍為新型綠色節(jié)能長(zhǎng)壽命光源已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，特別是在已經(jīng)開(kāi)始取代傳統(tǒng)光源的照明領(lǐng)域，也呈現(xiàn)強(qiáng)化趨勢(shì)；LED芯片理論是閃光360°,但實(shí)際上芯片放置在LED支架上是固定和封裝的，所以芯片的最大光角為180°（超過(guò)180。的范圍也有少量殘余光），其他芯片會(huì)有一些雜散的光線，所以通過(guò)透鏡可以有效地收集所有的光線，可以是180°,150&#

8、176;,120°,90°,600等，但是由于選擇了LED燈芯，所以發(fā)光角度必須適用于各種領(lǐng)域的配光效果；照明設(shè)備，加上配光鏡兩次，提高配光，達(dá)到不同照明效果的要求；對(duì)于配光LED光源的長(zhǎng)壽命和高性能，二次透鏡材料的選擇也提出了高要求。2.1 LED二次配光透鏡的分類（1）穿透式（凸透鏡）。（2）折反射式（錐型或杯型）。（3）透鏡模組。通過(guò)注塑成型將單個(gè)鏡頭的數(shù)量變成一個(gè)整體的多頭鏡頭，根據(jù)不同的需要可以設(shè)計(jì)成四合一，八合一，甚至數(shù)十個(gè)單鏡頭模組，在這個(gè)階段陜西火焰組火焰白最廣泛用于16合1鏡頭；這種設(shè)計(jì)可以有效節(jié)省生產(chǎn)成本，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到一致，節(jié)省夾具空間，更容易實(shí)現(xiàn)“大功

9、率”等。2.2 LED透鏡材料的種類及其優(yōu)缺點(diǎn)到目前為止透鏡材料主要有以下幾種：硅膠透鏡；PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）；PC（聚碳酸酯）；玻璃透鏡。（1） 硅膠透鏡。由于固態(tài)硅膠加工不良，學(xué)生的周期要比較長(zhǎng)，所以應(yīng)用更普遍的是硅膠。由于硅膠高溫（也可回流），常用于直接封裝LED芯片。體積小，直徑3?10mm結(jié)構(gòu)尺寸較大時(shí)，不適合液體硅膠鏡片材料，緊固加工使用有問(wèn)題；（2） PMMA透鏡。光學(xué)級(jí)PMMA聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱：亞克力）。塑料材料，優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高（通過(guò)注塑，擠出）；透光率高（3mnB度93%）缺點(diǎn)：溫度不能超過(guò)800（熱變形溫度92°）。（3） PC透鏡。光學(xué)級(jí)聚碳酸酯

10、（PC聚碳酸酯。塑料材料，優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)效率高（通過(guò)注塑，擠出）；透光率略低（3mms度約89%）;缺點(diǎn)：溫度不能超過(guò)110°（熱變形溫度135°）。（4） 玻璃透鏡。光學(xué)玻璃材料，優(yōu)點(diǎn)：透光率高（3mnB度滲透率97%）,耐高溫特性；缺點(diǎn)：重量大，體積小，易碎，批量生產(chǎn)不易實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)效率低，成本高。生產(chǎn)設(shè)備價(jià)格偏高，短期內(nèi)難以普及。目前，行業(yè)二次配光鏡以主要生產(chǎn)方式，綜合價(jià)格和生產(chǎn)考慮因素，主要采用PMMA口PC材質(zhì)鏡片，以下全文基于上述兩種材料的不同要求比較。2.3 二次透鏡使用環(huán)境及要求根據(jù)燈具的使用環(huán)境不同主要分為以下幾種環(huán)境：（1）室內(nèi)燈具透鏡。室內(nèi)照明鏡片主要以光透

11、射，熱穩(wěn)定性，密度，折射率均勻性，折射率穩(wěn)定性，吸水率，濁度，最高長(zhǎng)期工作溫度等要求嚴(yán)格；對(duì)于室內(nèi)照明燈一般使用環(huán)境溫度相對(duì)恒定，室內(nèi)溫度為20C（除高溫環(huán)境外），LED照明溫度控制要求在85c以下，燈泡和鏡頭直接接觸點(diǎn)溫度控制在75c以下。（2）室外燈具透鏡。戶外照明主要用于透光，熱穩(wěn)定性，密度，折射率均勻性，折射率穩(wěn)定性，吸水率，濁度，最高的長(zhǎng)期工作溫度，對(duì)uv（uy和砂也有較高的要求；對(duì)于戶外照明，夏季戶外溫度一般較高，當(dāng)?shù)販囟瓤蛇_(dá)40C左右，再加上戶外照明功率一般較大，室內(nèi)燈和鏡頭接觸部分溫度會(huì)較高；燈芯技術(shù)的發(fā)展，為了滿足燈具壽命的前提，LED燈芯溫度現(xiàn)在可達(dá)125c左右，所以燈罩和

12、鏡頭接觸溫度在最高環(huán)境溫度可以達(dá)到110c左右。2.4 二次配光透鏡的設(shè)計(jì)、加工與生產(chǎn)在這個(gè)階段，相應(yīng)的鏡片產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，只需要選擇合適的顆粒，直接注塑成型即可獲得所需的產(chǎn)品。根據(jù)材料表的物理性質(zhì)可以看出,PC材料和PMMA料除了通過(guò)光線之外，材料可以看出，材料的物理性能可以看出，速率和熱變形溫度，其他指標(biāo)可根據(jù)不同材料選擇進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)預(yù)調(diào)和調(diào)整，可用于滿足PC材料透光率88%,溫度不能超過(guò)110C,PMMA料通過(guò)光率93%,溫度不能超過(guò)80Co作為照明產(chǎn)品，最重要的性能是燈的發(fā)光效率（光效）和產(chǎn)品的可靠性，鏡頭材質(zhì)的質(zhì)量將直接影響燈的效率，LED等會(huì)有5%的效率會(huì)有對(duì)燈具的質(zhì)量影響很大

13、。這兩種材料都是直接注射成型機(jī)注塑，生產(chǎn)設(shè)備要求，以及生產(chǎn)難度，價(jià)格成本基本一致；唯一的區(qū)別是未來(lái)固定模式選擇的鏡頭也會(huì)影響鏡頭材質(zhì)。目前LED的固定方式主要是膠粘和螺絲固定，可以使用膠水，PC和PMMM料；但是對(duì)于螺絲式固定，由于PMMA料鏡片更脆，特別是薄壁透鏡，一些力會(huì)從鏡頭出來(lái)，所以壁厚和固定方式的滲透性將對(duì)選擇產(chǎn)生影響的材料。當(dāng)環(huán)境溫度低于80°C時(shí)，透光率高。（PMMA當(dāng)最高環(huán)境溫度高于80°C時(shí)，必須使用具有高溫PC材料的透鏡。2.5 小結(jié)在這個(gè)階段的LED二次透鏡材料主要是PC和PMM料種，根據(jù)每個(gè)燈的要求和使用環(huán)境選擇合適的鏡片材料是燈可靠性的必要保證。希

14、望隨著科學(xué)的發(fā)展,二次配光鏡可以更加實(shí)惠的材料3 LED路燈配光方案及分析LED路燈的二次配光LEW在大功率LED中使用透鏡或反射鏡進(jìn)一步改變輸出光學(xué)特性，即二次配光LED燈。LED路燈的二次配光主要有以下幾種情況。采用全反射透鏡LED二次配光。光從相對(duì)光密度指向相對(duì)光稀疏介質(zhì)，并且當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，可以發(fā)生全反射。使用這個(gè)原理，設(shè)計(jì)了軸對(duì)稱全反射透鏡。例如，將光束角度改變?yōu)?0。的范圍，這有利于進(jìn)一步的光分布設(shè)計(jì)。全反射透鏡如圖1所示。圖3全反射透鏡采用自由式透鏡LED路燈的二次配光。在該設(shè)計(jì)中，使用在XY軸方向上具有不對(duì)稱矩形光分布的自由表面光學(xué)元件。例如，在X軸上產(chǎn)生均勻的光分布,以

15、滿足道路長(zhǎng)度的照明要求，并且在Y軸上產(chǎn)生均勻的光分布，以獲得具有矩形的LED蝙蝠翅翼光在設(shè)計(jì)中，通過(guò)包含微分方程方法，多參數(shù)優(yōu)化方法，多表面同時(shí)設(shè)計(jì)方法和剪切方法，獲得照明目標(biāo)的光分布和照明表面的要求。自由曲面透鏡如圖1所示圖4自由曲面透鏡使用外部鏡頭和反射器LED二次配光。選擇適當(dāng)?shù)溺R頭和拋物面反射器，使出射光符合某個(gè)切口透鏡，并將反射鏡組合，如圖5所示圖5外置透鏡和反光器的LED示意圖二次配光設(shè)計(jì)3.1.1 TraceProTracePro是為美國(guó)的LambdaResearch開(kāi)發(fā)的基于蒙特卡洛的非順序光線跟蹤軟件，主要用于照明設(shè)計(jì)和雜散光分析.TracePro構(gòu)建了具有實(shí)體物體，反射,折

16、射，散熱，吸收和衍射的光學(xué)系統(tǒng)行為模擬光和固體表面的作用，在LED配光設(shè)計(jì)中占有重要地位。TracePro中照明設(shè)計(jì)的一般流程如圖6所示。本文將通過(guò)以下過(guò)程使用LED光源PAR20?。ㄒ韵潞?jiǎn)稱PAR20反光杯設(shè)計(jì)。圖6TracePro設(shè)計(jì)的一般流程3.1.2 仿真設(shè)計(jì)目前常用的LED二次配光裝置可分為透鏡，反光杯和折疊板。反光杯設(shè)計(jì)時(shí)，需要注重反射面反射率，反光面經(jīng)常涂上金屬材料，各種材質(zhì)如反射如表2所示（試驗(yàn)中垂直入射光波長(zhǎng)589.3nm）。金屬鋁在整個(gè)紅外到近紫外區(qū)具有很高的反射率，是反光元件反射照明的理想選擇。表2常用金屬材料光學(xué)性能材質(zhì)銀金鋁水銀銅饃（蒸發(fā)態(tài)）反射比0.950.850.

17、830.730.700.43折射率0.180.371.441.620.641.30反光杯根據(jù)基體材料可分為金屬反光杯，塑料反光杯和玻璃反光杯，性能如表2所示。金屬反光杯可旋轉(zhuǎn)，沖孔拋光工藝完成，變形記憶，常用于燈具照明要求低；塑料反光杯可以通過(guò)剝離完成，光學(xué)精度高，無(wú)變形記憶，常用于照明要求較高；玻璃反光杯具有光學(xué)精度高，無(wú)變形記憶，但其密度易破，常用于高品質(zhì)產(chǎn)品不需要移動(dòng)，如電影放映機(jī)，探照燈等。表3常用反光杯性能對(duì)比反光杯類型成本光學(xué)精度耐溫性散熱性抗形變抗沖擊金屬反光杯低低高好差差中塑料反光杯中高中差好好輕玻璃反光杯高高高中好差重本段PAR20丁采用亨德森1W大功率LED光源（共4臺(tái)），

18、額定光通量為80LM光譜分布曲線如圖7所示。半強(qiáng)度角設(shè)計(jì)要求為20。?30。，二次光分布的理論角為25o由于角度要求較高，反光杯設(shè)計(jì)為電鍍級(jí)ABSS板，表面采用真空鋁處理。圖7LED光譜圖和一次配光曲線根據(jù)可逆光路的原理，并用SOLIDWO骸件調(diào)整反射杯的幾何模型，總線采用多段曲線設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖8所示。我們知道LED的熱平衡效率約為90%,即在反射杯重新分配能量后約為總熱平衡的90%。根據(jù)LEDt譜和光分布曲線（圖7）,在TracePr。軟件中定制光源特性，并給出LED發(fā)光面的光源特性（LED物理排列結(jié)果如圖8所示）總光量為120萬(wàn),比例系數(shù)設(shè)定為熱效率0.9。這種設(shè)計(jì)主要關(guān)注光和光斑的光分布

19、，為了獲得更均勻的光，反射面由太陽(yáng)圖案處理。參數(shù)設(shè)置完成光線跟蹤后，為了分析，總體光量為0.1%顯示，結(jié)果如圖9所示。極坐標(biāo)系和笛卡爾坐標(biāo)系的極坐標(biāo)系為如圖1所示。10,11。半強(qiáng)度角約為26.202米處的中心照度約為138.3lux,）如圖12所示。圖8反光杯模型VI，E-2BOOrWE=旦>12WM1000M。4(XHC'lhnccr1Sir.it12015106D5歸15圖X(rrhrnpitr)I，293i>Wi>倩審一一平日通TfiOW,-J-rjftfl11Lj-firaAa-W近1.士迎1M第i；Jkrm一.St：±圖9LED的排布圖10光線追

20、跡結(jié)果（總光線量的0.1%）圖11配光曲線（極坐標(biāo)系）青:更i三i三室*或z:H&J圖12配光曲線（笛卡爾坐標(biāo)系）TftfbmtfrUi*hArt；FGjfrfcSterEtrMc4”1，ZmWxv5fl四阜2gQFX«加"庵U圖132米處輝度圖（仿真）3.1.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試整個(gè)燈具經(jīng)過(guò)模具加工，組裝完成（圖9）和實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行輕型試驗(yàn)，測(cè)試設(shè)備為杭州遠(yuǎn)光光電信息有限公司GO1900闿光曲線試驗(yàn)系統(tǒng)，配光曲線如圖10所示，中心光強(qiáng)度539.8cd,等效總光通量約235.4lm;使用照度計(jì)TES-1366A（臺(tái)灣泰西）的記憶用于照明測(cè)試，2米中心照度約為133.7lux,白光對(duì)準(zhǔn)后點(diǎn)亮的燈光照明，亮度圖（點(diǎn)）如圖1所示。圖14反光杯安裝情況（取掉透明燈罩）圖15實(shí)測(cè)配光曲線圖16實(shí)測(cè)2米處輝度圖結(jié)果分析將TracePro中的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果如表3所示?？紤]到加工和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的誤差，結(jié)果完全可以接受。實(shí)際光斑均勻，無(wú)黑斑等缺陷，符