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信息工程期刊

第2卷 第1期 2012 年 2 月

Scientific Journal of Information Engineering(SJIE)

Vol.2 No.1 Feb. 2012

组合式 LED 路灯反射器的设计 范长江*,龚政 浙江师范大学 信息光学研究所,浙江 金华 321004

要:利用非成像光学知识,设计了一款分段组合复合抛物面反射器,可将郎伯型分布的lED光束整形为道路照明所需要的

矩形光束,光束角度道路纵向为120°,道路横向为60°。模拟追迹结果表明,利用此反射器制作的LED路灯在10米高处,道路照 明范围可达到10m×30m,照度均匀度为0.51,能量的利用率高达96%。

关键词:光学设计;LED;非成像光学;CPC;LED 路灯

The Design of Combined Reflector Used in LED Street Lamp Changjiang Fan *, Zheng Gong Institute of information optics, Zhejiang Normal University, Jinhua, Zhejiang, 321004, China

Abstract: Based on the non-imaging optics knowledge, a compound parabolic reflector is designed. By using the reflector, the IED light can be changed from Lambert beam to a rectangular beam with the vertical angle at 120°and lateral angle at 60°, which meet the requirements of street light. The ray-tracing simulation results indicate that the LED street lamp with our designed reflector has good properties. The scope of road lighting, uniformity of illumination and Energy efficiency is up to 10m×30m, 0.51 and 96%, respectively.

Key words: LED; nonimaging optics; cpc; led street lamp

引言 LED为半导体发光,其在具有高发光强度的同时,还具有体积小,寿命长,显色指数高等特点,是一种新型的 绿色环保照明光源,目前商用大功率LED光通量已经达到100lm/w,实验室达到165lm/w,并且总光通量以每18-24 个月翻一翻的摩尔定律发展,具有成为第四代光源的巨大潜力 [1-2]。LED光源发出的光近似朗伯型,即光强在半空 间呈余弦分布,直接用于照明时,路面上形成一个中间亮边缘暗的不均匀的圆斑,中心处很亮,径向衰减很快。而 根据道路照明特点,路灯照明的最佳配光方式为类似矩形分布光场分布,因此有必要对LED发出的光做进一步的光 束整形,以达到道路照明的需求和提高光能的利用率。采用LED光源加透镜的整形方式可达到路面上产生均匀矩形 斑的效果,但是这种方案由于透镜对光的吸收而损失较大的能量,不利于光能的充分利用 [3-5]。通过特别光学设计 后的反射器可以克服以上不足,也能在路面上形成较为均匀的矩形照明区域 [6-8]。 本文在非成像光学基础上,利用“边缘光线原理”和“裁剪法”设计了一款分段组合复合抛物面反射器,其能 将朗伯型发光的LED光束整形为近似矩形分布,出光效率达到96%以上,理论模拟证明其在10米高度,10m×30m范 围内照度均匀度达到0.5以上,完全达到目前我国国家道路照明规范要求。

1 LED照明系统设计 对于LED光源,由于其芯片尺寸小(目前功率型芯片的典型尺寸为1mm×1mm,小功率芯片的尺寸更小),在 设计配光系统时,首先忽略其尺寸对光学设计的影响,将其作为点光源研究其配光问题,然后考虑光源的实际尺寸 做进一步的修改,以达到设定的配光要求。面向LED的非成像光学设计流程图,大体上可以分为确定设计条件和要 求、理论计算设计模型、系统仿真模拟结果以及反馈数据修改设计等几个环节,如图1所示。 www.sjie.org PP.31-35 © 2011 American V-King Scientific Publishing, LTD - 31 -


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图1 LED照明系统设计流程图

2 反射器设计原理 反射器涉及两部分能量分配,一部分为直接从灯具出射的能量,另一部分为被反射器反射出灯具的能量。直接 出射的那部分光照射到目标面上形成初始的矩形照明区域,反射器的作用就是反射其余的能量到这个初始的照明区 域内,使两部分能量叠加后形成均匀照明区域。反射器的面型 确定是反射器能否良好工作的关键因素,如图 2aCPC(Compound Parabolic Concentrator)即复合面型聚光器,其最大的作用是能将能量高度集中的传递,具有理想 的传递效率。它以边缘原理为理论基础,使得以最大入角口入射的所有光线都必须从出射孔径的边射,也就是说入 射光束中的最外侧光线也应是孔径处的最外侧光线如图2a。其最早做为太阳能的收集器使用。本文借助CPC的设计 思想,设计一组合复合抛物面反射器。

反射器轴 Z

i R

i

L

 抛物线轴

Q

P a′

图 2a CPC 的边缘光线

图 2b 复合抛物线形成示意图

普通的抛物线通过坐标轴的旋转和平移可得到复合抛物线,不同的旋转角度可得到不同出射角的CPC。如图2b 所示一抛物线 y ' = 4 fx' ,Q为抛物线的焦点,将抛物线轴绕其焦点旋转角度  i 竖直后,再水平平移偏移焦点距离a’ 2

做为反射器的光轴,此时抛物线绕着光轴旋转形成的CPC,如图2b所示。将QP中心做为直角坐标系原点,反射器光 www.sjie.org PP.31-35 © 2011 American V-King Scientific Publishing, LTD - 32 -


范长江,等 组合式 LED 路灯反射器的设置

轴为z轴,则CPC聚光器面型的参量表达式为:

y

2a' (1  sin  i ) sin(   i )  a' 1  cos

z

2a' (1  sin i ) cos(  i ) 1  cos

开口半径为: a = a' / sin  i , 长度为: L = f cos i / sin 2  i 。 如果led放在QP处,Q点发出的光QR经过CPC的反射后,反射光线与反射器光轴夹角亦为  i ,则根据边缘光线 原理,LED在QP范围内发出的光线,经过此CPC反射后,光线分布在与光轴夹角  i 以内。如果光源安装在10米高 处,需要照射的面积是10m×30m,则可计算出沿着道路横向光源的发散角为120°,纵向为60°。将CPC的参数方程 输入到机械设计软件PROE中拟合,利用60°得到的复合抛物线沿着道路方向组合为扫描轨迹,垂直道路方向用直线 代替,构成一个闭合的扫描轨迹,如图3所示;沿着道路方向扫描截面为  i =30°得到的CPC,而垂直与道路方向扫 描截面为  i =60°得到的CPC;最终扫描得到如图4所示的分段组合CPC反射器。

图 3 扫描轨迹图

图 4 反射器结构示意图

图 5 光强分布图

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3 仿真模拟 LED路灯的设计采用了纵横方向非对称的长方形配光的分段CPC反光器,经过配光可直接在单个LED光学元件 上实现近似矩形光斑。该方法的优点是:(1)LED路灯的制造只需将具有矩形配光的LED模组排列在一块散热平 板上,(2)LED路灯在结构设计、散热及电源安装方面十分便捷;(3)不同功率的LED路灯只需增加或拆除相应 的LED模组即可,不影响整体的配光效果。将此反射器导入到TRACPRO软件中,光源选择cree公司白光xpe系列, 正常工作在1瓦其光通量为100流明,光强分布为郎伯型。仿真模拟120瓦的led路灯,总的光通量设为12000流明, 灯距离路面的高度为10米,光线追迹后,其光强分布如图5所示,由图可以看到,沿着道路纵向光强分布为120°, 道路横向光强分布为60°,符合设计数值;路面的照度分布如图6所示,光斑近似矩形分布,中间照明范围达到10米。 光能的利用率为96%,按照中心点测试法将路面10m×30m照明区域分为 5×8共40块,沿着道路纵向每块长度为3.75 米,沿着道路横向宽度为2米,则由光线追迹的数据可以得到每块的照度平均数值如表1所示:

图6 路面照度分布 表 1 照度分布数据(单位: x) 22.782

30.68

38.398

34.067

34.063

36.84

24.414

20.768

22.923

43.795

69.811

55.238

61.037

61.952

29.687

24.12

23.285

46.388

73.203

57.956

66.992

65.619

29.965

24.412

23.617

38.24

57.353

47.579

49.251

52.272

28.532

21.479

20.308

23.224

20.399

19.021

19.58

24.222

20.474

19.931

照度的平均值

照度的最小值

照度的均匀度

37.0969

19.021

0.513

由表1中数据可以计算得到,路面照度平均值为37lx,最小值为19lx,照度的均匀性为0.51,完全满足当前城市 道路照明的照度要求(《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2006)中规定照度均匀度≥0.4)。

4 结论 本文在非成像光学知识基础上,借助机械设计软件proe将CPC曲面组合成一组合复合抛物面反射器,利用此反 www.sjie.org PP.31-35 © 2011 American V-King Scientific Publishing, LTD - 34 -


范长江,等 组合式 LED 路灯反射器的设置

射器做二次配光的LED路灯系统可在路面形成近似矩形光斑,在基于蒙地卡罗光线追迹软件的模拟仿真表明,安装 此反射器的路灯照明范围广,照度均匀性较高。相比于目前LED路灯透镜方案,反射器具有能量利用效率高,制造 成本低等优势。 参考文献 [1]

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王洪, 张奇辉, 张小凡. 实现道路均匀照明的自由曲面反射器设计[J]. 光电工程, 2009, 36(12): 143-146.

【作者简介】 范长江,男,山东临沂人,现就职于浙江师范大学信息光学研究所。主要从事光学设计和微光学器件的研究工作。 Email: fancj@zjnu.cn。

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