1、<p>　　LED路燈的二次配光</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著LED燈的效率大大提高，LED迅速進入商業(yè)照明市場，逐漸取代傳統(tǒng)光源，成為21世紀的主要光源。 LED強勁誘惑，主要廠商紛紛投資LED行業(yè)。 本文將使用TracePro軟件設計具有二次分布的LED燈的窄光分布，并通過實驗測試來說明LED照明設計應用中的仿真軟件

2、。</p><p>　　關鍵詞：LED路燈、TracePro軟件設計、二次配光、仿真軟件</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the LED light efficiency greatly improved, LED quickly entered the commercial lighting

3、 market, and gradually replace the traditional light source, become the main light source of the 21st century. LED strong temptation, the major manufacturers have invested in LED industry. This article will use TracePro

4、software to design a narrow light distribution of LED lights with the secondary distribution, and through experimental tests to illustrate the simulation software in LED lighting design app</p><p>　　Keywords

5、: LED street light, TracePro software design, secondary light distribution, simulation software</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　Abstract1

6、</p><p><b>　　引言3</b></p><p>　　1 LED 路燈配光的特點和要求4</p><p>　　1.1 LED 路燈配光形狀特點4</p><p>　　1.2 道路照明標準配光要求4</p><p>　　1. 3 LED 路燈的配光曲線4</p&g

7、t;<p>　　2 LED 二次配光透鏡6</p><p>　　2.1 LED 二次配光透鏡的分類6</p><p>　　2.2 LED 透鏡材料的種類及其優(yōu)缺點6</p><p>　　2.3 二次透鏡使用環(huán)境及要求7</p><p>　　2.4 二次配光透鏡的設計、加工與生產7</p><

8、;p><b>　　2.5 小結8</b></p><p>　　3 LED 路燈配光方案及分析9</p><p>　　3.1 LED 路燈的二次配光9</p><p>　　3.2 二次配光設計10</p><p>　　3.2.1 TracePro10</p><p>　　3

9、.2.2 仿真設計11</p><p>　　3.2.3 實驗測試15</p><p>　　3.2.4 結果分析17</p><p><b>　　總結17</b></p><p><b>　　參考文獻19</b></p><p><b>　　致謝20

10、</b></p><p><b>　　引言</b></p><p>　　LED（發(fā)光二極管）是21世紀競爭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技術的發(fā)展，單個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。 光源在光強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

11、個區(qū)域，符合道路照明配光要求， LED路燈設計準確到位是LED路燈照明系統(tǒng)設計研究未來取代傳統(tǒng)路燈LED路燈照明的關鍵因素之一，具有重要意義。</p><p>　　1 LED 路燈配光的特點和要求</p><p>　　1.1 LED 路燈配光形狀特點</p><p>　　在道路照明中，如果沒有LED光源燈，路面上的光線較大的圓形斑點，會有部分光線散落在道路外不用

12、，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，通常需要LED燈與LED，LED 燈光照射對路燈的光線形狀或光線的輸出更好， 如圖 1( b)所示。</p><p>　　( a) 未經配光 ( b)經配光后</p><p>　　圖1 LED 路燈配光示意圖</p><p&

13、gt;　　1.2 道路照明標準配光要求</p><p>　　根據城市道路照明設計標準要求，道路路燈分為高速公路和主干道，二級公路，防滑路，LED路燈照明標準值應符合表1的規(guī)定。</p><p>　　表1 道路照明標準值</p><p>　　目前LED路燈研究主要集中在二次路和分支應用中，光通量小的LED燈不能用于主路上的主要原因。 主干道的應用尚未成為LED技術的

14、研究與開發(fā)。</p><p>　　1. 3 LED 路燈的配光曲線</p><p>　　光強度的空間分布通常被稱為光分布曲線。 在路燈的底部，光強應該是最小的，隨著仰角的增加，我增加了光的強度。函數關系為, 即光分布曲線。 道路照明單光理想的光分布曲線如圖2所示。由于光學設計的復雜性，光分布難以完全滿足關系的功能，可以減小投影角度的范圍，減少距離 燈具要均勻照明。 一般來說，希望在蝙蝠翼

15、光的分布后實現(xiàn)廣角。</p><p>　　圖 2 理想配光曲線</p><p>　　2 LED 二次配光透鏡</p><p>　　LED作為新型綠色節(jié)能長壽命光源已被廣泛應用于許多領域，特別是在已經開始取代傳統(tǒng)光源的照明領域，也呈現(xiàn)強化趨勢; LED芯片理論是閃光360°，但實際上芯片放置在LED支架上是固定和封裝的，所以芯片的最大光角為180

16、6;（超過180°的范圍也有少量殘余光），其他芯片會有一些雜散的光線，所以通過透鏡可以有效地收集所有的光線，可以是180°，150°，120°，90°，60°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域的配光效果;照明設備，加上配光鏡兩次，提高配光，達到不同照明效果的要求;對于配光LED光源的長壽命和高性能，二次透鏡材料的選擇也提出了高要求。</p>

17、<p>　　2.1 LED 二次配光透鏡的分類</p><p>　　（1） 穿透式（凸透鏡） 。</p><p>　　（2） 折反射式（錐型或杯型） 。</p><p>　　透鏡模組。通過注塑成型將單個鏡頭的數量變成一個整體的多頭鏡頭，根據不同的需要可以設計成四合一，八合一，甚至數十個單鏡頭模組，在這個階段陜西火焰組 火焰白最廣泛用于16合1鏡頭;

18、這種設計可以有效節(jié)省生產成本，產品質量達到一致，節(jié)省夾具空間，更容易實現(xiàn)“大功率”等。</p><p>　　2.2 LED 透鏡材料的種類及其優(yōu)缺點</p><p>　　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 。</p><p>　　硅膠透鏡 。由于固態(tài)硅膠加工不良，學生的周期要比較長，所以應用更普遍的

19、是硅膠。 ①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，結構尺寸較大時，不適合液體硅膠鏡片材料，緊固加工使用有問題;</p><p>　　PMMA 透鏡。①光學級PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱：亞克力）。 ②塑料材料，優(yōu)點：生產效率高（通過注塑，擠出）; 透光率高（3mm厚度93％）缺點：溫度不能超過80°（熱變形溫度92°）。</p>&l

20、t;p>　?。?） PC 透鏡。①光學級聚碳酸酯（PC）聚碳酸酯。 ②塑料材料，優(yōu)點：生產效率高（通過注塑，擠出）; 透光率略低（3mm厚度約89％）; 缺點：溫度不能超過110°（熱變形溫度135°）。</p><p>　?。?） 玻璃透鏡。光學玻璃材料，優(yōu)點 ：透光率高（3mm厚度滲透率97％），耐高溫特性; 缺點：重量大，體積小，易碎，批量生產不易實現(xiàn)，生產效率低，成本高。 生產設

21、備價格偏高，短期內難以普及。 目前，行業(yè)二次配光鏡以主要生產方式，綜合價格和生產考慮因素，主要采用PMMA和PC材質鏡片，以下全文基于上述兩種材料的不同要求比較。</p><p>　　2.3 二次透鏡使用環(huán)境及要求</p><p>　　根據燈具的使用環(huán)境不同主要分為以下幾種環(huán)境：</p><p>　　室內燈具透鏡。室內照明鏡片主要以光透射，熱穩(wěn)定性，密度，折射率均

22、勻性，折射率穩(wěn)定性，吸水率，濁度，最高長期工作溫度等要求嚴格; 對于室內照明燈一般使用環(huán)境溫度相對恒定，室內溫度為20℃（除高溫環(huán)境外），LED照明溫度控制要求在85℃以下，燈泡和鏡頭直接接觸點溫度控制在75℃以下。</p><p>　?。?）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，最高的長期工作溫度，對UV（UV）和砂也有較高的要求; 對于戶外照明，夏季戶

23、外溫度一般較高，當地溫度可達40℃左右，再加上戶外照明功率一般較大，室內燈和鏡頭接觸部分溫度會較高; 燈芯技術的發(fā)展，為了滿足燈具壽命的前提，LED燈芯溫度現(xiàn)在可達125℃左右，所以燈罩和鏡頭接觸溫度在最高環(huán)境溫度可以達到110℃左右。</p><p>　　2.4 二次配光透鏡的設計、加工與生產</p><p>　　在這個階段，相應的鏡片產品的設計和生產，只需要選擇合適的顆粒，直接注塑成

24、型即可獲得所需的產品。</p><p>　　根據材料表的物理性質可以看出，PC材料和PMMA材料除了通過光線之外，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 ，其他指標可根據不同材料選擇進行相應的設計預調和調整，可用于滿足PC材料透光率88％，溫度不能超過110℃，PMMA材料通過光率93％ ，溫度不能超過80℃。</p><p>　　作為照明產品，最重要的性能是燈的發(fā)光效率（

25、光效）和產品的可靠性，鏡頭材質的質量將直接影響燈的效率，LED將會有5％的效率會有 對燈具的質量影響很大。</p><p>　　這兩種材料都是直接注射成型機注塑，生產設備要求，以及生產難度，價格成本基本一致; 唯一的區(qū)別是未來固定模式選擇的鏡頭也會影響鏡頭材質。</p><p>　　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PMMA材料; 但是對于螺絲式固定，由于PMM

26、A材料鏡片更脆，特別是薄壁透鏡，一些力會從鏡頭出來，所以壁厚和固定方式的滲透性將對選擇產生影響 的材料。</p><p>　　當環(huán)境溫度低于80°C時，透光率高。（PMMA）當最高環(huán)境溫度高于80°C時，必須使用具有高溫PC材料的透鏡。</p><p><b>　　2.5 小結</b></p><p>　　在這個階段的LE

27、D二次透鏡材料主要是PC和PMMA兩種，根據每個燈的要求和使用環(huán)境選擇合適的鏡片材料是燈可靠性的必要保證。 希望隨著科學的發(fā)展，二次配光鏡可以更加實惠的材料。</p><p>　　3 LED 路燈配光方案及分析</p><p>　　3.1 LED 路燈的二次配光</p><p>　　LED燈在大功率LED中使用透鏡或反射鏡進一步改變輸出光學特性，即二次配光LED

28、燈。</p><p>　　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。 光從相對光密度指向相對光稀疏介質，并且當入射角大于臨界角時，可以發(fā)生全反射。 使用這個原理，設計了軸對稱全反射透鏡。 例如，將光束角度改變?yōu)?0°的范圍，這有利于進一步的光分布設計。 全反射透鏡如圖1所示。</p><p>　　圖 3 全反射透鏡</p><p

29、>　　采用自由式透鏡LED路燈的二次配光。 在該設計中，使用在XY軸方向上具有不對稱矩形光分布的自由表面光學元件。 例如，在X軸上產生均勻的光分布，以滿足道路長度的照明要求，并且在Y軸上產生均勻的光分布，以獲得具有矩形的LED蝙蝠翅翼 光在設計中，通過包含微分方程方法，多參數優(yōu)化方法，多表面同時設計方法和剪切方法，獲得照明目標的光分布和照明表面的要求。 自由曲面透鏡如圖1所示。</p><p>　　圖 4

30、 自由曲面透鏡</p><p>　　使用外部鏡頭和反射器LED二次配光。 選擇適當的鏡頭和拋物面反射器，使出射光符合某個切口透鏡，并將反射鏡組合，如圖5所示。</p><p>　　5 外置透鏡和反光器的 LED 示意圖</p><p>　　3.2 二次配光設計</p><p>　　3.2.1 TracePro</p>&l

31、t;p>　　TracePro是為美國的Lambda Research開發(fā)的基于蒙特卡洛的非順序光線跟蹤軟件，主要用于照明設計和雜散光分析.TracePro構建了具有實體物體，反射，折射，散熱，吸收和衍射的光學系統(tǒng) 行為模擬光和固體表面的作用，在LED配光設計中占有重要地位。</p><p>　　TracePro中照明設計的一般流程如圖6所示。本文將通過以下過程使用LED光源PAR20燈（以下簡稱PAR20）

32、反光杯設計。</p><p>　　圖6 TracePro設計的一般流程</p><p>　　3.2.2 仿真設計</p><p>　　目前常用的LED二次配光裝置可分為透鏡，反光杯和折疊板。 反光杯設計時，需要注重反射面反射率，反光面經常涂上金屬材料，各種材質如反射如表2所示（試驗中垂直入射光波長589.3nm）。 金屬鋁在整個紅外到近紫外區(qū)具有很高的反射率，是反

33、光元件反射照明的理想選擇。</p><p>　　表2 常用金屬材料光學性能</p><p>　　反光杯根據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，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剝離完成，光學精度高，無變形記憶，常用于照明要求較高; 玻璃反光杯具有光學精度高，無變形記憶，但其密度易破，常用于高品質產品不需要

34、移動，如電影放映機，探照燈等。</p><p>　　表3 常用反光杯性能對比</p><p>　　本段PAR20燈采用亨德森1W大功率LED光源（共4臺），額定光通量為80LM，光譜分布曲線如圖7所示。半強度角設計要求為20°? 30°，二次光分布的理論角為25°。 由于角度要求較高，反光杯設計為電鍍級ABS基板，表面采用真空鋁處理。</p>&

35、lt;p>　　圖7 LED光譜圖和一次配光曲線</p><p>　　根據可逆光路的原理，并用SOLIDWORK軟件調整反射杯的幾何模型，總線采用多段曲線設計，結果如圖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％。</p><p>　　根據LED光譜和光分布曲線（圖7），在TracePro軟件中定制光源特性，并給出LED發(fā)光面的光源特性（

36、LED物理排列結果如圖8所示） 總光量為120萬，比例系數設定為熱效率0.9。 這種設計主要關注光和光斑的光分布，為了獲得更均勻的光，反射面由太陽圖案處理。 參數設置完成光線跟蹤后，為了分析，總體光量為0.1％顯示，結果如圖9所示。極坐標系和笛卡爾坐標系的極坐標系為 如圖1所示。 10， 11。 半強度角約為26.2°。 2米處的中心照度約為138.3 lux，）如圖12所示。</p><p><

37、b>　　圖8 反光杯模型</b></p><p><b>　　圖9 LED的排布</b></p><p>　　圖10 光線追跡結果(總光線量的0.1%)</p><p>　　圖11 配光曲線(極坐標系)</p><p>　　圖12 配光曲線(笛卡爾坐標系)</p><p>　　圖

38、13 2米處輝度圖(仿真)</p><p>　　3.2.3 實驗測試</p><p>　　整個燈具經過模具加工，組裝完成（圖9）和實驗室進行輕型試驗，測試設備為杭州遠光光電信息有限公司GO1900L配光曲線試驗系統(tǒng)，配光曲線如圖10所示 ，中心光強度539.8cd，等效總光通量約235.4lm; 使用照度計TES-1366A（臺灣泰西）的記憶用于照明測試，2米中心照度約為133.7lux

39、，白光對準后點亮的燈光照明，亮度圖（點）如圖1所示。</p><p>　　圖14 反光杯安裝情況(取掉透明燈罩) </p><p>　　圖15 實測配光曲線</p><p>　　圖16 實測2米處輝度圖</p><p>　　3.2.4 結果分析</p><p>　　將TracePro中的仿真結果與實驗結果進行比較。

40、結果如表3所示。考慮到加工和實驗測試的誤差，結果完全可以接受。 實際光斑均勻，無黑斑等缺陷，符合設計要求。</p><p><b>　　表4結果對比</b></p><p>　　通過電腦仿真，可以快速幫助光學工程師準確設計配光，有助于縮短開發(fā)周期和節(jié)約成本，隨著LED照明行業(yè)的飛速發(fā)展，電腦仿真技術將發(fā)揮更重要的作用。</p><p><

41、b>　　總結</b></p><p>　　總而言之，在LED路燈系統(tǒng)的應用越來越廣泛的過程中，其照明系統(tǒng)具有二次設計的配光，將能夠實現(xiàn)良好的節(jié)能效果和環(huán)保效果。 作為半導體材料，將其應用于路燈系統(tǒng)，將獲得良好的照明效果。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]卓友望,葛子平.實現(xiàn) LED 臺燈

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