趙亞輝，范長江

(浙江師范大學(xué) 信息光學(xué)研究所，浙江 金華321004)

1 引 言

發(fā)光二極管( LED) 為半導(dǎo)體發(fā)光器件，不僅發(fā)光強(qiáng)度高，還具有體積小、壽命長、顯色指數(shù)高等特點，是一種新型的綠色環(huán)保照明光源。目前，商用大功率LED 光通量已經(jīng)達(dá)到100 lm/W，實驗室達(dá)到165 lm/W，并且總光通量以每18 ～24個月翻一番的摩爾定律發(fā)展，具有成為第四代光源的巨大潛力［1-2］。LED 光源發(fā)出的光近似朗伯型，即光強(qiáng)在半空間呈余弦分布，直接用于照明時，路面上形成一個中間亮邊緣暗的不均勻的圓斑，中心處很亮，徑向衰減很快。而根據(jù)道路照明特點，路燈照明的最佳配光方式為類似矩形分布光場分布，因此，有必要對LED 發(fā)出的光做進(jìn)一步的光束整形，以達(dá)到道路照明的需求并提高光能的利用率。采用LED 光源加透鏡的整形方式可達(dá)到路面上產(chǎn)生均勻矩形斑的效果，但是，這種方案由于透鏡對光的吸收而損失較大的能量，不利于光能的充分利用［3-5］。通過特別光學(xué)設(shè)計后的反射器可以克服以上不足，也能在路面上形成較為均勻的矩形照明區(qū)域［6-10］。

本文在非成像光學(xué)基礎(chǔ)上，利用“邊緣光線原理”和“裁剪法”設(shè)計了一款分段組合復(fù)合拋物面反射器，能將朗伯型發(fā)光的LED 光束整形為近似矩形分布，出光效率達(dá)96%以上。理論模擬證明:在高度為10 m，范圍為10 m×30 m 內(nèi)其照度均勻度達(dá)0.5 以上，滿足目前我國國家道路照明規(guī)范要求。

2 設(shè)計方案

對于LED 光源，由于其芯片尺寸小( 目前功率型芯片的典型尺寸為1 mm ×1 mm，小功率芯片的尺寸更小) ，在設(shè)計配光系統(tǒng)時，首先忽略其尺寸對光學(xué)設(shè)計的影響，將其作為點光源研究其配光問題，然后考慮光源的實際尺寸做進(jìn)一步的修改，已達(dá)到設(shè)定的配光要求。面向LED 的非成像光學(xué)設(shè)計流程圖，大體上可以分為確定設(shè)計條件和要求、理論計算設(shè)計模型、系統(tǒng)仿真模擬結(jié)果以及反饋數(shù)據(jù)修改設(shè)計等幾個環(huán)節(jié)，如圖1 所示。

圖1 LED 照明系統(tǒng)設(shè)計流程圖Fig.1 Flow diagram of non-imaging optical design for LED

3 反射器設(shè)計原理

圖2 CPC 的邊緣光線Fig.2 Marginal ray of CPC

反射器涉及兩部分能量分配，一部分為直接從燈具出射的能量，另一部分為被反射器反射出燈具的能量。直接出射的那部分光照射到目標(biāo)面上形成初始的矩形照明區(qū)域，反射器的作用則是反射其余的能量到這個初始的照明區(qū)域內(nèi)，使兩部分能量疊加后形成均勻照明區(qū)域。反射器的面型確定是反射器能否良好工作的關(guān)鍵因素，圖2所示為復(fù)合拋物面反射器( Compound Parabolic Concentrator，CPC) 即復(fù)合面型聚光器，其最大的作用是能將能量高度集中的傳遞，具有理想的傳遞效率。它以邊緣原理為理論基礎(chǔ)，使得以最大入射角人射的所有光線都必須從出射孔徑的邊緣出射，也就是說入射光束中的最外側(cè)光線也應(yīng)是孔徑處的最外側(cè)光線，如圖2 所示，其最早作為太陽能的收集器使用。本文借助CPC 的設(shè)計思想，設(shè)計了一款組合復(fù)合拋物面反射器。

普通的拋物線通過坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)和平移可得到復(fù)合拋物線，不同的旋轉(zhuǎn)角度可得到不同出射角的CPC。如圖3 所示，一拋物線y'2=4fx'，Q為拋物線的焦點，將拋物線軸繞其焦點旋轉(zhuǎn)角度θi豎直后，再水平平移偏移焦點距離a＇作為反射器的光軸，此時拋物線繞著光軸旋轉(zhuǎn)形成的CPC 如圖3 所示。將QP中心作為直角坐標(biāo)系原點，反射器光軸為z軸，則CPC 聚光器面型的參量表達(dá)式為:

開口半徑為:a=a'/sinθi

長度為:L=fcosθi/sin2θi

圖3 復(fù)合拋物線形成示意圖Fig.3 Sketch map of the compound parabola

如果LED 放在QP處，Q點發(fā)出的光QR經(jīng)過CPC 的反射后，反射光線與反射器光軸夾角亦為θi，則根據(jù)邊緣光線原理，LED 在QP范圍內(nèi)發(fā)出的光線經(jīng)過CPC 反射后，光線分布在與光軸夾角θi以內(nèi)。如果光源安裝在10 m 高處，需要照射的面積是10 m×30 m，則可計算出沿著道路橫向光源的發(fā)散角為120°，縱向為60°。將CPC 的參數(shù)方程輸入到機(jī)械設(shè)計軟件PROE 中擬合，利用60°得到的復(fù)合拋物線沿著道路方向組合為掃描軌跡，垂直道路方向用直線代替，構(gòu)成一個閉合的掃描軌跡，如圖4 所示。沿著道路方向掃描截面為θ=30°時得到CPC，而與道路方向垂直時掃描截面為θi=60°得到CPC，最終掃描得到了如圖5所示的分段組合CPC 反射器。

圖4 掃描軌跡Fig.4 Sweep track

圖5 反射器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Layout of the reflector

4 光學(xué)系統(tǒng)仿真模擬

圖6 光強(qiáng)分布圖Fig.6 Light intensity distribution curve

LED 路燈的設(shè)計采用了縱橫方向非對稱的長方形配光的分段CPC 反光器，經(jīng)過配光可直接在單個LED 光學(xué)元件上實現(xiàn)近似矩形光斑。該方法的優(yōu)點是: ( 1) LED 路燈的制造只需將具有矩形配光的LED 模組排列在一塊散熱平板上;( 2) LED路燈在結(jié)構(gòu)設(shè)計、散熱及電源安裝方面十分便捷;(3) 不同功率的LED 路燈只需增加或拆除相應(yīng)的LED 模組即可，不影響整體的配光效果。將此反射器導(dǎo)入到TRACPRO 軟件中，光源選擇Cree 公司的白光xpe 系列，正常工作在1 W，其光通量為100 lm，光強(qiáng)分布為朗伯型。仿真模擬120 W 的 LED 路燈，總的光通量設(shè)為12 000 lm，燈距離路面的高度為10 m，光線追跡后，其光強(qiáng)分布如圖6 所示。由圖可以看到，沿著道路縱向光強(qiáng)分布為120°，橫向光強(qiáng)分布為60°，符合設(shè)計數(shù)值;路面的照度分布如圖7 所示，光斑近似矩形分布，中間照明范圍達(dá)到10 m，光能的利用率為96%。按照中心點測試法將路面10 m×30 m照明區(qū)域分為5 ×8 共40 塊，沿著道路縱向每塊長度為3.75 m，橫向?qū)挾葹? m，則由光線追跡的數(shù)據(jù)可以得到每塊的照度平均數(shù)值如表1 所示。由表1 中數(shù)據(jù)可以計算得到，路面照度平均值為37lx，最小值為19lx，照度的均勻性為0.51，完全滿足當(dāng)前城市道路照明的照度要求( 《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》( CJJ45-2006) 中規(guī)定照度均勻度≥0.4) 。

圖7 路面照度分布Fig.7 Illuminance distribution on the street

表1 照度分布數(shù)據(jù)Tab．1 Data for illuminance distribution

5 結(jié) 論

本文在非成像光學(xué)知識基礎(chǔ)上，利用普通的拋物線通過坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)和平移得到符合要求的復(fù)合拋物線，然后借助機(jī)械設(shè)計軟件proe 將CPC曲面組合成一組合復(fù)合拋物面反射器。利用此反射器進(jìn)行二次配光的LED 路燈系統(tǒng)沿著道路橫向光源的發(fā)散角為120°，縱向為60°，可在路面形成近似矩形光斑?；诿商?卡羅光線追跡軟件的模擬仿真表明，其在高度為10 m，范圍為10 m×30 m 內(nèi)照度均勻度達(dá)0.5 以上，安裝此反射器的路燈照明范圍廣，照度均勻性較高。相比于目前LED 路燈透鏡方案，反射器具有能量利用效率高，制造成本低等優(yōu)勢。

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