LED路灯自由曲面二次光学透镜的设计

LED⼆次光学设计浅析（2）-透镜设计⼀、概论：1．全透明反射棱镜的特点LED全透明反射棱镜能分配LED在2π⽴体⾓内的光通，光通利⽤率⾼，η=85%，安装简便。

棱镜加⼯⽅便⽽且体积也很⼩，对空间的要求⼩，宜于安装在各类灯具之中。

2．前景⽬前安装LED棱镜的灯具已得到⼴泛的应⽤，像建筑照明、通⽤照明、标识照明、景观照明、交通信号灯等都已得到了很好的应⽤。

随着LED技术的不断提⾼，LED棱镜的前景也会更好。

⼆、设计⽅法：1．第⼀介⾯效率问题第⼀介⾯的效率很重要，它决定整个棱镜的光通利⽤率，因此光源光线在第⼀介⾯上的分布要合理。

如图1：β⾓为光源光通在第⼀介⾯上的半⾓分布，这部分光线在棱镜上都是⼆次折射光线，是折射次数较少的⼀部分光线，当β⾓增⼤时，光源在这部分的光通量增⼤，光通损耗少，但光线将向外偏移，将产⽣⽆⽤光通。

当β⾓减⼩时，则光源光通在这部分的光通量减少，效率减低。

另外，在ABCD圆柱体中，圆柱侧⾯将形成光的反射，当光线垂直射⼊时，根据菲涅尔公式得：ρ=2，对n1=1（空⽓），n2=n（给定材料的折射率）则公式变为ρ=2，若棱镜的折射率n=1.5,则ρ=0.04，当β减⼩时，α⾓增⼤（见图1），若α⾓⼤于60°以后，反射率剧增，将⼤⼤损耗光通，因此要根据预设配光，合理分布这部分光通。

2．全反射⾯的取得全反射⾯是分配LED光通的主要部分，所设计的棱镜是否满⾜预设的配光，主要是取决于全反射⾯的设计是否合理。

图2为全反射⾯中⼀条光线的形成过程。

设有⼀⽴体⾓为γ的环带光通，ρ为⼀条中间光线，当ρ射向两种介质的界⾯处A点时，光线进⾏第⼀次折射，光线是从光疏介质射向光密介质，进⼊光密介质的光线改变原来的传播⽅向（根据折射定律：Sin I1/Sin I2=n，其中I1为⼊射⾓，I2为折射⾓，n为折射率）。

光线经折射后到达棱镜的边缘，两种介质的界⾯处B 点，光线进⾏第⼆次折射，光线是从光密介质射向光疏介质，当B点是曲率半径为R的圆弧时，光线与圆弧形成的法线产⽣⼊射⾓I3，要使I3′成为全反射光线，I3必需⼤于临界⾓（折射⾓达到90°时，所对应的⼊射⾓叫临界⾓，根据折射定律：sinC=1/n，C为临界⾓）。

LED路灯的二次光学透镜设计
陈加琦;邹念育;张云翠;贺晓阳;李德胜
【期刊名称】《大连工业大学学报》
【年(卷),期】2012(031)003
【摘要】鉴于道路照明需求的多样性和复杂性,基于配光曲线映射原理,运用透射光学设计手段,借鉴传统路灯设计方法,针对单颗大功率白光LED,根据其特有的配光特性参数设计了一种新颖的二次光学透镜.该透镜实现了将LED的郎伯型配光转换为蝙蝠翼型配光,将圆形光斑转换为矩形光斑,同时可以达到很高的光输出效率和近似1:2的长宽比.与同类设计相比,达到国家道路照明标准,同时降低了设计复杂度,可应用于LED路灯设计.
【总页数】4页(P231-234)
【作者】陈加琦;邹念育;张云翠;贺晓阳;李德胜
【作者单位】大连工业大学光子学研究所,辽宁大连 116034;大连工业大学光子学研究所,辽宁大连 116034;大连工业大学光子学研究所,辽宁大连 116034;大连工业大学光子学研究所,辽宁大连 116034;大连工业大学光子学研究所,辽宁大连116034
【正文语种】中文
【中图分类】TN312.8
【相关文献】
1.LED路灯自由曲面二次光学透镜的设计 [J], 于莉媛
2.LED路灯自由曲面二次光学透镜的设计 [J], 于莉媛
3.多表面LED二次光学透镜设计的偏折能力分配法 [J], 周士康;陈春根
4.据光强分布设计LED二次光学透镜 [J], 程治明;曾平;张志海;洪芸芸;胡燕
5.探究LED路灯探讨二次光学设计——《LED路灯节能规划及二次光学设计》培训班开班在即 [J],
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谓的一次光学设计就是：把LED IC封装成LED光电零组件时，要先进行一次光学设计，以解决LED的出光角度、光强、光通量大小、光强分布、色温的范围与分布;二次光学设计是针对大功率LED照明来说：一般大功率LED都有一次透镜，发光角度为120度左右。

二次光学就是将经过一次透镜后的光再通过一个光学透镜改变它的光学性能。

我们必须清醒的认识到，一次光学设计是二次光学设计的基础。

只有一次光学设计封装设计合理，能够保证每个LED发光零组件的出光品质，才能在一次光学设计的基础上进行二次光学设计，以保证整个发光系统的出光品质。

简单地说，一次光学设计的目的是尽可能多的取出LED芯片中发出的光。

二次光学设计的目的则是让整个灯具系统发出的光能满足设计需求雷笛克光學推出二次光學透鏡系列產品2009/05/08 - 10:39 — ivan在目前照明產業中，就屬LED照明為最新興產業，各界皆卯足了實力積極開發LED相關照明，當然LED照明的先決條件第一一定是LED本身之亮度、色溫，再者電源供應器及散熱裝置，其中攸關到最終的成敗關鍵則是LED發出的光形，如何有效控制運用LED光形的折射，此時二次光學的透鏡就是關鍵了。

雷笛克光學股份有限公司在光學透鏡開發耕耘已有相當一段時間，可說為亞洲區LED二次光學透鏡始祖之一，而為有效將LED的光源達到完整的運用，雷笛克光學研發團隊此段期間已開發出多款難度極高的產品，並針對CREE、OSRAM、LUXEON、NICHIA、SEOUL、EDISON等國際級封裝大廠特製開發專用之二次光學透鏡，產品類別從單顆光學透鏡甚至到60合1的舞台燈光透鏡以及路燈透鏡等皆完成開發，且目前已達到量產出貨階段，而發光角度則是由全角8度到全角180度一應俱全。

For CREE XR-E - 8° Single LensFor CREE XP-E - 15° Multi LensFor CREE MC-E - 40° Single LensFor Edison 1LA5 - 25° Multi LensFor Osram Golden Dragon Plus - 20° Single Lens。

LED路灯透镜光学设计二次光学是直接决定LED路灯的输出效率、配光分布、均匀度及眩光程度的重要环节。

绿色环保的城市道路照明要求LED路灯产生正好覆盖马路的长方形的光斑，对马路之外的其他地方譬如居民楼和建筑物的光污染尽量的少。

XY非轴对称的自由曲面二次光学的配光设计，是实现此目标的最好的方法。

使得在单个透镜模组上就可以完成高效率长方形的输出光斑、蝙蝠翼形的远场角度分布、以及实现截光设计。

整个灯头的结构变得非常的简洁，只要将这些完成配光设计的LED透镜模组，按照同一个方向排列在一块平面的PCB板上即可，简化了LED路灯的机械结构、散热管理、以及电源控制的排布。

本文介绍了一种全反射型的二次光学透镜的设计，该透镜可以实现很高的输出光效率、蝙蝠翼形的配光曲线分布、以及较均匀的长方形光斑。

1. 技术背景LED固态半导体照明技术被认为是21世纪的战略节能技术。

中国、欧洲和北美的许多国家和城市都已经进行了LED道路照明技术的开发和大力推广，相比于金属卤素灯（MH）和高压钠灯（HPS），LED路灯拥有更长的寿命（大于5倍）；除此之外，LED 路灯还具有更好的可控性和光效，可以节能50%之多。

LED路灯的另一个绿色能源的特征是光源本身不含有害物质汞。

光学方面，LED芯片的小光源特性可以比较容易实现精确的配光和二次光学的优化设计，准确控制光线的方向，把光充分的分配到所需要照明的马路上，防止光污染和眩光。

二次光学设计是决定LED路灯的配光曲线、输出光效、均匀度、以及眩光指数的一项重要技术。

现有市场上大部分的高功率白光LED的光度分布是郎伯分布，光斑是圆形的，峰值光强一半位置处的光束角的全宽度约为120°。

LED路灯如果没有经过二次光学的配光设计，那么照在马路上的光斑会是一个“圆饼”，如图1（a）所示，大约1半左右的光斑会散落到马路之外而浪费掉，并且光斑的中间会比较亮，到周围会逐渐变暗。

这种灯装在马路上之后，路灯之间会形成很明显的明暗相间的光斑分布，对司机造成视觉疲劳，引发事故。

LED路灯二次光学设计随着科技的发展，LED（Light Emitting Diode）路灯已经逐渐取代了传统的照明设备，成为照明行业的主力产品。

然而，由于LED的点光源特点，使得LED路灯在光学设计方面仍然存在一些问题。

为了进一步提高LED路灯的照明效果，研究者们进行了大量的工作，提出了许多的二次光学设计方案。

LED路灯的二次光学设计主要包括反射器和聚光器两个方面。

反射器的作用是将LED产生的光线反射到需要照明的区域，而聚光器的作用则是将光线集中到一个小的区域内。

这两个部分的光学设计都对LED路灯的照明效果有着重要的影响。

在反射器的设计中，通常使用的方法是将LED发出的光线通过折射、反射等方式来改变其传播方向和角度。

例如，可以使用三棱镜形状的反射器来实现光线的聚焦和分散，以达到光斑均匀分布的目的。

此外，还可以利用反射率较高的材料来增加光线的反射效果，从而提高光线的利用率。

在聚光器的设计中，主要考虑的是如何将LED产生的光线集中到一个小的区域内。

常用的方法是使用凸透镜或反射镜来实现光线的聚焦。

凸透镜可以通过改变其曲面形状来改变光线路径，从而实现光线的聚焦。

反射镜则是利用镜面的反射原理来实现光线的聚焦。

同时，还可以使用自适应光学技术，通过改变聚光器的形状或位置来调整光线的聚焦效果，以适应不同的照明需求。

除了反射器和聚光器的设计，LED路灯的二次光学设计还需考虑光线的色温和色彩还原指数等因素。

色温是指光源的色调，常用的单位是开尔文(Kelvin)。

一般来说，较高的色温会让人感到冷色调，较低的色温则会让人感到暖色调。

色温的选择要结合照明环境和使用需求来决定。

色彩还原指数是指光源对物体颜色的还原能力。

通常取值范围为 0-100，值越大表示还原能力越好。

在LED路灯的二次光学设计中，还需要考虑能源利用效率和使用寿命等因素。

LED的能源利用效率较高，可以达到较高的光电转换效率，从而实现节能的目的。

此外，LED的使用寿命较长，可以达到几万小时以上，减少了灯具更换的频率和维修的成本。

一种全反射型的LED路灯透镜光学设计[附图]2011-04-21 14:40:41 文章来源：OFweek半导体照明网我来说两句(0)二次光学是直接决定LED路灯的输出效率、配光分布、均匀度及眩光程度的重要环节。

绿色环保的城市道路照明要求LED路灯产生正好覆盖马路的长方形的光斑，对马路之外的其他地方譬如居民楼和建筑物的光污染尽量的少。

XY非轴对称的自由曲面二次光学的配光设计，是实现此目标的最好的方法。

使得在单个透镜模组上就可以完成高效率长方形的输出光斑、蝙蝠翼形的远场角度分布、以及实现截光设计。

整个灯头的结构变得非常的简洁，只要将这些完成配光设计的LED透镜模组，按照同一个方向排列在一块平面的PCB板上即可，简化了LED路灯的机械结构、散热管理、以及电源控制的排布。

本文介绍了一种全反射型的二次光学透镜的设计，该透镜可以实现很高的输出光效率、蝙蝠翼形的配光曲线分布、以及较均匀的长方形光斑。

1、技术背景LED固态半导体照明技术被认为是21世纪的战略节能技术。

中国、欧洲和北美的许多国家和城市都已经进行了LED道路照明技术的开发和大力推广，相比于金属卤素灯（MH）和高压钠灯（HPS），LED路灯拥有更长的寿命（大于5倍）；除此之外，LED路灯还具有更好的可控性和光效，可以节能50%之多。

LED路灯的另一个绿色能源的特征是光源本身不含有害物质汞。

光学方面，LED芯片的小光源特性可以比较容易实现精确的配光和二次光学的优化设计，准确控制光线的方向，把光充分的分配到所需要照明的马路上，防止光污染和眩光。

二次光学设计是决定LED路灯的配光曲线、输出光效、均匀度、以及眩光指数的一项重要技术。

现有市场上大部分的高功率白光LED的光度分布是郎伯分布，光斑是圆形的，峰值光强一半位置处的光束角的全宽度约为120°。

LED路灯如果没有经过二次光学的配光设计，那么照在马路上的光斑会是一个“圆饼”，如图1（a）所示，大约1半左右的光斑会散落到马路之外而浪费掉，并且光斑的中间会比较亮，到周围会逐渐变暗。

课程设计报告：LED路灯二次光学设计课程设计报告：本文设计思想和原理参考复旦大学某光学书，有心者自寻之）目录目录 0一、课程设计背景 (2)1.1设计背景 (2)1.2设计的必要性 (2)二、课程设计思路 (2)2.1设计思想 (2)2.1.1总体设计 (2)2.1.2工艺的考虑 (3)2.1.3光分布的设计思想 (4)2.2设计原理 (4)2.2.1鳞片倾角的设计原理 (4)2.2.2鳞片坐标的设计原理 (5)三、课程设计过程 (7)3.1色片建模 (7)3.1.1鳞片坐标的键入 (7)3.1.2鳞片的拉伸、切割 (7)3.1.3鳞片带的位置调整 (8)3.2色片单元的组合——光学面罩 (8)3.3面光源的定义 (8)3.4光学面罩属性的设置 (9)3.5面光源对光学面罩的模拟 (9)3.6格点光源的定义 (9)3.7格点光源对光学面罩的模拟 (10)3.8光学面罩的改进以及分析 (10)3.9光学面罩的切割 (11)四、课程设计结果 (12)4.1矩形光学面罩 (12)4.1.1面光源模拟结果 (12)4.1.2格点光源模拟结果 (13)4.2鳞片相对位置不同的模拟结果 (15)4.3改进的光学面罩 (16)4.4圆板状光学面罩 (18)五、课程设计的心得体会 (19)一、课程设计背景1.1设计背景近年来LED技术取得了突飞猛进的发展，尤其是蓝光LED的诞生直接促进了LED技术在显示器领域、照明领域的普遍应用。

由于LED发光亮度高、使用寿命长、节能等等优点，它将在各个领域逐渐取代传统光源。

LED之所以可以要取代传统光源，一个重要原因就是：节能。

例如：钨丝灯发光率为17.3 lm/W，日光灯的发光效率约40 lm/W。

而LED灯的发光效率已经做到了120 lm/W，而且将来随着技术的发展和工艺的提高，它的发光效率势必会超过200lm/W。

这就是说，在同样光强的要求下LED能够比传统光源节约数倍甚至数十倍的电能。

路灯透镜前言：本文着重讲解专用于大功率LED路灯的路灯透镜，特点是：配合大功率LED使用。

一，路灯透镜材料1．玻璃透镜1．1．因为玻璃材料具有耐高温，穿透率高等特点，目前还是有比较大一部分LED路灯厂在使用它1．2．但是玻璃因为质量重、易碎、成本高等不足，而使它的使用范围有一定的局限性；2．PC或PMMA材料2．1．此两种材料同属于光学塑胶类，可以通过注塑完成产品成型，容易实现非球面聚光，减少光斑的黄晕斑现象；2．2．但是PC及PMMA的穿透率仅次与玻璃，耐温也不及玻璃材料的缺缺点；2．3．但是PC及PMMA就物料及生产成本来讲是具有显著的优势；二，路灯透镜的规格1．角度规格1．1．因为不同道路有不同的光学需求，比如：路灯高度、路灯杆之间的距离、道路的种类（主干路、干路、支路、庭院小区等），因此路灯透镜的角度要求也不尽相同；1．2．一般来讲，路灯透镜的聚光角度规格为：60度、80度、100度、120度几种；1．3．一般主干路路灯杆高度为10-12M，路灯杆相距为30-35M，由此推算出路灯透镜角度需求为100-120度；2．光斑规格2．1．圆形光斑，一般应用于庭院小区道路；照射范围及照度要求不是很高；2．2．椭圆形光斑（如仁达光电路灯透镜型号ST-V20H-LT2060）一般应用于机动车或非机动车道，有效克效了圆形光斑照射时，圆与圆相接的地方两侧会有一个暗区，整条道路上，光线没有很好的均匀分布或是圆形光斑的一部分光线超出了道路面而没有真正利用起来；2．3．矩形光斑，应用于机动车道，有效地利用LED的光线，聚光后的光线均匀分布在路面上，光斑均匀；2．4．路灯透镜相对来说要求的是光线利率及聚光角度以及光斑的均匀度，对于路面上的照度值是否达标，此是路灯厂家需要设计考虑的问题（如功率大小、不同品牌LED的选用、不同LM值的LED选用等）3．透镜外型规格3．1．单个透镜3．1．1．以多个的单个路灯透镜组合使用（透镜与LED一对一），这种的优点在于它的使用灵活性；3．1．2．比如：想选多少个LED就使用多小个LED透镜，想怎么排列（lay out）就怎么排列；3．2．路灯透镜模组（多头）3．2．1．为了有效的利用灯具的空间，降低灯具的结构大小及重量，目前相当一部分厂家都首先路灯透镜模组，其中又以4*7的结构28头为多；3．2．2．路灯透镜模组还可以配合实现灯具的防水结构；LED道路照明系统的光学设计及发展趋势1、LED道路照明系统的背景介绍为了满足城市道路照明设计标准,传统的道路照明灯具往往采用耗电200瓦以上含水银的灯泡。

新型LED路灯照明二次光学设计字号: 小中大| 打印发布: 2009-1-08 00:09 作者: 钱可元罗毅来源: 阿拉丁照明网查看: 0次编者按：由于白光LED具有很多显著的优点，将其应用于公共城市照明设施地替代光源有着许多的优点。

然而要真正充分发挥半导体光源的长处，二次光学系统的设计至关重要。

本文介绍了一种独特的适用于城市道路照明二次光学系统，他能较好的满足城市道路照明的家路相关标准，并可以灵活地适用于不同的道路情况。

1、引言公共城市照明在照明市场上占有庞大的份额，根据统计，城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例，约439 亿kwh，以平均电价0.65 元/kwh 计算，一年开支285 亿元。

目前，广泛应用于城市公共照明的是高压钠灯，特别是在主干道上，高压钠灯可以提供100lm/W 以上的发光效率。

但其本身的缺憾也很明显：光源的光谱成分偏黄，显色指数极低;灯具的寿命短，更换工作量大;不便于对于灯的功率进行调节;随着20 世纪90 年代固体物理学的高速发展和新半导体材料的突破性发现，近10 年来LED 技术取得了突飞猛进的发展。

白光LED 的出现，以其特有的低电压驱动、体积小、重量轻、显色性好、调光性能好、寿命长(达2 万小时以上)、耐振动、不易损坏、符合环保要求等优势，使半导体光源将成为城市道路照明理想的节能光源。

其显著的优点为：光效高。

目前商业化的白光LED 光效已达到90-100lm/W 左右，预计2 年内能达到150lm/W 以上，而这并非LED光效的上限，各国的专家都把光效地目标定在200lm/W 左右。

寿命长。

理想的目标是10 万小时，而目前商业化的白光LED 寿命可到5 万小时，比传统光源寿命要长10 一20倍。

做成城市道路照明光源，则可以10 年不换光源，大大节省了日常的维护费用。

便于对于灯的功率进行智能调节;可以附加二次光学系统，最大限度地利用LED 的光能，满足各种应用场合特定的照度与光强分布。

LED路灯的二次光学透镜设计作者：王双江摘要：鉴于道路照明需求的多样性和复杂性，基于配光曲线映射原理，运用透射光学设计手段，借鉴传统路灯设计方法，针对单颗大功率白光LED，根据其特有的配光特性参数设计了一种新颖的二次光学透镜。

该透镜实现了将LED的郎伯型配光转换为蝙蝠翼型配光，将圆形光斑转换为矩形光斑，同时可以达到很高的光输出效率和近似1:2的长宽比。

与同类设计相比，达到国家道路照明标准，同时降低了设计复杂度，可应用于LED 路灯设计。

关键词：LED；路灯；二次光学透镜；配光曲线；长宽比1、引言随着“十城万盏”工程的启动和逐步推进，国家和社会对LED路灯的要求也从理论研究越来越走向实用化。

1974年Schruben提出实现均匀圆形照明的自由曲面反光器。

2002年Harald Ries提出可投射出OEC字样的自由曲面透镜。

2002年，OEC公司的H.Rie和J.Muschaweck指出可以用数值求解偏微分方程的方法来构造自由曲面的面型。

他们用一个折射面将均匀强度的小光源发出的光在矩形均匀光斑范围内形成OEC公司的公司名称而且这三个字符的亮度是背景亮度的3倍。

香港理工大学工业及系统工程学系先进光学制造中心采用了边缘光线扩展度（Etendue）守恒的原理创建了一套自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法，设计出在道路横向（X方向）产生±60°内均匀分布的配光，在纵向（Ｙ方向）产生±30°内均匀分布的配光的方形光斑的自由曲面透镜，从而满足道路照明的配光要求。

针对不同的道路应用环境，LED路灯的配光需求也各不相同。

总体来说，限于光源的影响，未经配光的LED的配光呈现郎伯型，直接在道路上形成的光斑为圆形，容易形成斑马纹和造成眩光。

为了解决上述问题，需要对LED郎伯型的配光进行改进，也就是进行二次配光设计，将郎伯型的配光改变为蝙蝠翼型。

本文针对道路照明要求，在给定光源的情况下，设计了一种简单有的二次光学透镜，可以实现较好的照明效果。

LED路灯的自由曲面二次透镜设计乔庆飞;林峰【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(33)4【摘要】Light distribution is a critical issue for using LED streetlight. Roadway illumination requires the LED streetlight to have a rectangular facular with a good uniformity on the roadway and without any light pollution and glare out of the road. The freeform surface equation was deduced according to the Snell's law and etendue conservation. Then Pro/Engineer was applied for the freeform surface lens construction. With the Matlab tool, the partial differential equation was solved with the method of finite difference and the data array of the freeform surface was got. Finally, TracePro was applied to simulate this optical system, test and analyze the design result. For this design, the LED streetlight lens has an ellipsoid inner surface and a freeform outer surface. The results show the total uniformity of illumination on the roadway reaches 0. 75. while the longitudinal uniformity reaches 0. 85.%配光是LED路灯应用的主要技术问题之一.道路照明要求LED路灯在路面为均匀性良好的矩形光斑,在道路外无污染,无眩光.采用Snell定律和光源扩展度守恒原理确定自由曲面的解析方程,借助Matlab 工具,采用差分法求解建立的偏微分方程,得到自由曲面的数据组,用作图软件Pro/Engineer为自由曲面透镜建模,通过计算机仿真软件TracePro进行光路仿真检验设计结果,并对所得结果进行分析.设计一款内表面为椭球面,外表面为自由曲面的LED路灯透镜,实现了路面光照总均匀度0.75,纵向均匀度0.85的效果.【总页数】5页(P675-679)【作者】乔庆飞;林峰【作者单位】福建师范大学物理与光电信息科技学院福建省光子技术重点实验室,福建福州350007;福建师范大学物理与光电信息科技学院福建省光子技术重点实验室,福建福州350007【正文语种】中文【中图分类】TN312.8;O439【相关文献】1.一种利用自由曲面透镜的LED路灯配光设计与研究 [J], 罗元;毛建伟2.LED路灯自由曲面二次光学透镜的设计 [J], 于莉媛3.LED路灯自由曲面二次光学透镜的设计 [J], 于莉媛4.自由曲面的LED路灯透镜的设计 [J], 蒋金波;杜雪;李荣彬5.基于自由曲面透镜的LED路灯配光优化设计 [J], 杨凯;李晓艳;林斌;陈亮;石岩;金尚忠因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。