一种全反射型的LED路灯透镜光学设计附图-中国LED网
LED一次光学设计演示教学
光学设计结构图
LED光学设计基本元件
透镜
一次光学设计
抛物面
非球面反射镜 椭球面
透镜的光学分析：影响出光角度，一般说透镜角度大出光角度大，透镜角度小 出光角度小。 硅胶和透镜的形状：影响到封装后的光强分布曲线以及出光量的多少
软件模拟与实际对比
LED的一次光学设计
3、LED反射杯规格分类
（1）折射式
特点：
1、当LED光线经过透镜时光线会发生折射 而聚光，而且当调整透镜与LED之间的距 离时角度也会变化（角度与距离成反比） ，经过光学设计的透镜光斑将会非常均匀 ，但由于透镜直径和透镜模式的限制， LED的光利用率不高及光斑边缘有比较明 显的黄边； 2、聚光面包含的立体角有限，约70%-80% 的白光从侧面泄露，发光效率低。 3、提高出光率方法：增加反光杯面积， 收集侧面光线。 4、聚光方法：增加透镜曲率。 5、一般应用在大角度（50°以上）的聚 光，如台灯、吧灯等室内照明灯具。
LED的一次光学设计
（3）PC透镜
a. 光学级料Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯。
b. 塑胶类材料，优点：生产效率高（可以通过注塑、挤塑完 成）；透光率稍低（3mm厚度时穿透率89%左右）；缺点：温度不 能超过110°（热变形温度135度）。
（4）玻璃透镜
光学玻璃材料，优点：具有透光率高（97%）、耐温高等特点； 缺点：体积大质量重、形状单一、易碎、批量生产不易实现、生 产效率低、成本高等。不过目前此类生产设备的价格高昂，短期 内很难普及。此外玻璃较PMMA、PC料易碎的缺点，还需要更多的 研究与探索，以现在可以实现的改良工艺来说，只能通过镀膜或 钢化处理来提升玻璃的不易碎特性。
LED二次光学设计浅析（1）-反射器设计基础理论
LED二次光学设计浅析（1）-反射器设计基础理论蓝海光学招募：光设人员，镜头装配主管，镜头销售人员有意者电话罗生：185****9889光学人生，你的精彩人生！设计概述将反射器上任意点(角度θ)接收的光源光线反射到与轴线成希望夹角α的方向上，换言之，要注定反射器上各区域将光线投射到什么方位，这是设计的第一步。
为此，需要下述数据：1.光束分布(配光)；用出射光线光强该光线与轴线夹角α表示，采用函数式或曲线图都可以；2.光源发出光线的光分布(光强分布)；采用从它发出的各条光线与轴线夹角θ表示，常用曲线表示，在近似的计算中光源的配光常用余弦分布；3.从要求的光束分布的总光通，考虑光源与反射器之间的结构限制等因素确定光源的功率。
计算中遵循光通量的守恒。
具体细节如下：1.对从光源射向四周空间的光线，要选择合适的角度间隔进行分划，见图1；2.计算在光源光分布和出射光束光分布中各个角度间隔内的立体角；3.采用光通增量=光强×立体角增量的公式计算各问隔内的光通，其中光强由光源光分布和出射光束光分布中提供，往往取间隔角度的中值角上的值；4.找出光源能提供的光通和光束中需要的光通之差值，得到折换系数，统一二者的差异；5.找出光源在某个θ角间隔内能提供的光通正好和光束在某个α角间隔内需要光通相一致的对应关系，即××θ角内的光线射到××α角中去的θ～α关系。
根据θ～α的关系，求出反射器曲面形状，这是计算反射器的第二步。
其中包括：1.用公式计算光源光线间隔角度中反射面与轴线夹角β；2.列表写出光源光线间隔角度θ和β角的正切值；3.以光源置放点为原点，光轴(对称轴)为x轴，写出从光源发出的各光线间隔角度上光线的方程：y=tgθx；4.设反射器起始于第一点的坐标是x0y0，它的斜率为tgβ0，则反射器上第一段的折线方程为：y-y0=(x-x0)tgβ；5.计算该线段与下一个光线间隔角度的交点x1y1，即解下述方程组：y1-y0=(x1-x0)tgβ0y1=tgθx16.重复过程5，计算下一个点，不同的是将x1y1的值作为x0，y0来处理，β0与tgθ另取新的值；7.完成上述全过程就可得到—个需要的反射器曲线。
大功率LED透镜工作原理
大功率LED透镜工作原理（全反射杯形）
发布者：发布时间：11/11/16
前言：
本文着重讲解采用PMMA或PC材料的大功率LED透镜（全反射杯形）的工作原理。
说明：
1. 全反射杯形LED透镜光路工作原理如下；
2. 透镜内部结构实际上是通过两部份来完成的：
2.1. LED正前方的光线是通过LED透镜内部的小曲面（A）以穿透的方式聚光，如上图中的蓝色光线；
2.2. 超出小曲面（A）直径外的侧光是通过透镜的反射面（B）来收集光线，以反射的方式聚光，如上图中的绿色光线；
3. 如何将透镜（A）蓝色光线与（B）绿色光线这两部份光线投射出去所形成的光斑应尽量重叠成一个光斑，是设计的重点；
4. 当（A）穿透面所外移时，这部份（蓝色）光线的聚光角度会变小，这时LED前方一部份光线将会超出（A）的曲面而跑向（B）再进行反射，这时如果反射面（曲面及面积）不变，有一部份光线将又从超出反射面之外跑走投射出去，这部份光线通俗叫杂光或余光（如下图中红色部份）；
5. （A）穿透面的曲面系数、与LED的距离将是对LED正前方的聚光角度产生变化；（B）反射面的曲面系数以及直径（面积）大小是对LED侧面光线的聚光角度以及光线的利用率产生影响；所以说（A）与（B）是需要通过电脑模设计来完成的；
6. 当反射面直径扩大，相当于反射面面积增大，虽然可以提升透镜的反射效率，但此时LED 透镜的体积也相应增大了，体积大所带来的影响：用料多，注塑时间长、缩水率增加、成本上升、中心厚度增加、光损增加等等；
7. 全反射杯形透镜（镜面）比较适合用在45度以下的聚光设计，当然也可以在杯形透镜的基础上改变透镜表面如：凹面、磨砂面、矩阵面、横纹面等等，由此可以得到不同效果的光斑如：漫射光斑、矩形光斑、椭圆形光斑等等。
=全反射型的LED路灯透镜光学设计=
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。
LED照明光学系统设计
LED照明光学系统设计引言：由于其高效能、长寿命、低能耗和环保等特点，LED（LightEmitting Diode）照明系统被广泛应用于室内和室外照明领域。
而LED照明光学系统设计对于提高照明质量和效果至关重要。
本文将对LED照明光学系统设计进行详细介绍。
一、照明光学系统的组成照明光学系统主要由三个组成部分构成：发光源、光学透镜和反射材料。
1.发光源：LED作为发光源，其发光强度、发光角度、发光方向和发光颜色等特性决定了照明效果。
根据实际需求，可选择不同类型的LED，如高亮度、超高亮度和SMD等。
2.光学透镜：光学透镜对于光线的聚焦、分散和控制起到重要作用。
根据照明需求，设计适合的光学透镜，可以将光线聚焦到照明区域，提高照明效果和均匀性。
3.反射材料：反射材料用于控制和增强光线的反射效果，提高照明亮度和均匀性。
合理选用反射材料，可以有效减少光线损耗，提高发光效率。
二、光学系统设计原则1.照度和照明均匀性：根据不同照明场合的要求，设计适当的照度和照明均匀性是照明系统设计的基本原则之一、合理选择发光源和光学透镜，使得照明区域的照度达到要求，并保证照明均匀性。
2.光束角度的选择：根据照明区域的大小和形状，选择合适的光束角度是照明系统设计的关键之一、光束角度越大，照明范围越广；光束角度越小，照明范围越窄。
根据实际需求，设计合适的光束角度，可以满足不同场合的照明需求。
3.反射率和反射率分布：反射材料的选择和反射率分布的设计直接影响照明亮度和均匀性。
高反射率的材料可以提高照明亮度，而不同区域的不同反射率分布可以提高照明均匀性。
因此，在设计光学系统时需要合理选择反射材料，并设计合适的反射率分布。
4.热问题的考虑：LED作为光源，具有较高的发热量。
在光学系统设计过程中，需要考虑热问题，确保发光源和光学透镜的正常工作温度，并采取适当的散热措施，以延长LED的寿命。
三、光学系统设计流程1.需求分析：确定照明场所的类型和要求，包括照度要求、照明均匀性要求、照明区域的大小和形状等。
路灯透镜知识点归纳总结
路灯透镜知识点归纳总结一、路灯透镜的定义路灯透镜是用于控制路灯光束的光学元件，主要作用是将光源发出的光束聚焦或分散，以达到目标照明效果。
路灯透镜通常由光学材料制成，表面经过特殊设计和加工，可以使光线更加集中或者散发。
透镜的选择直接影响了路灯的照明性能和能效比，因此透镜是路灯中非常重要的一个部分。
二、路灯透镜的种类1. 抛物面透镜抛物面透镜是一种常用的路灯透镜，其表面呈抛物线状，可以使光线聚焦于一个点上，具有较好的光学聚集效果。
抛物面透镜的设计和加工比较复杂，但是能够有效地控制路灯的光线，提高光束的亮度和均匀度。
2. 镜面透镜镜面透镜是利用镜面反射原理来调节光束的方向和强度的透镜，其表面将光线反射至特定的方向，能够实现优化的照明效果。
镜面透镜的制作工艺较为复杂，但是具有较高的光学性能和能效比。
3. 柱面透镜柱面透镜是一种常见的路灯透镜，其表面呈柱面状，可以使光线在一个方向上聚焦或者散发。
柱面透镜的制作工艺相对简单，成本较低，但是在控制光束方向和亮度方面具有一定的局限性。
4. 球面透镜球面透镜是一种球面状的透镜，能够实现全向照明效果，适用于一些特殊的路灯照明场景。
球面透镜的制作难度较大，成本较高，但是能够实现灯光的全方向照明，具有一定的应用前景。
5. 其他特殊形状透镜除了以上常见的类型，还有一些特殊形状的透镜，如双凸透镜、双凹透镜等，这些透镜根据特定的照明需求进行设计和加工，能够实现更加个性化的照明效果。
三、路灯透镜的光学特性1. 聚光性能路灯透镜的聚光性能是指其能够将光线聚焦于一个特定的区域，提高光束的亮度和均匀度。
聚光性能是衡量透镜光学性能的重要指标之一，直接关系到路灯的照明效果和能效比。
2. 散射性能路灯透镜的散射性能是指其能够将光线散发到特定的区域，实现柔和的照明效果。
散射性能也是衡量透镜光学性能的重要指标之一，能够提高路灯的照明舒适度和视觉效果。
3. 光学透过率光学透过率是指透镜将光线透过的比例，是一个反映透镜透光性能的重要指标。
一种实现均匀照明的LED平凸透镜设计
一种实现均匀照明的LED平凸透镜设计
卢雪;丁桂林
【期刊名称】《电子科技》
【年(卷),期】2015(028)012
【摘要】为实现均匀圆形光斑的照明,提出了一种自由曲面平凸透镜的算法.依据非成像光学核心理论:光学扩展量守恒和能量守恒,根据Snell定律,建立透镜轮廓曲线所满足的常微分方程,采用Matlab中的DDE(动态传输)技术与Tracepro中的Scheme语言完成动态数据的链接,从而完成透镜的3D建模,省去了导入3D软件拟合曲线所带来的误差,让建模变得更加精确.结果表明,该种算法可在特定区域实现均匀照明,透镜直径23 mm,材质为光学级PC,且在透镜距离光源10mm时光学效率可达51.99％.
【总页数】4页(P1-4)
【作者】卢雪;丁桂林
【作者单位】江苏大学机械工程学院,江苏镇江 212013;江苏大学机械工程学院,江苏镇江 212013
【正文语种】中文
【中图分类】TB133
【相关文献】
1.一种实现均匀照明的LED反射器设计 [J], 陈巧云;朱向冰;倪建;陈瑾
2.一种LED均匀照明的透镜设计 [J], 王晶;张宁;徐熙平;乔杨
3.一种实现LED光源均匀照明的透镜设计 [J], 孙健刚;朱孔硕;马晓光;李果华
4.一种实现大功率LED均匀照明的投射器设计 [J], 吴仍茂;屠大维;黄志华
5.一种实现大功率LED均匀照明的投射器设计 [J], 杨军
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
《灯具反射器》课件
03
灯具反射器的制造工艺
铸造工艺
铸造工艺是制造灯具反射器常用的方法之一 ，通过将熔融的金属倒入模具中，冷却凝固 后形成反射器。
铸造工艺具有生产效率高、成本低等优点， 适用于大规模生产。
铸造工艺的缺点是难以实现高精度和复杂形 状的制造，且铸造过程中容易产生气孔、缩 孔等缺陷。
机械加工工艺
机械加工工艺是通过切削、磨 削等机械手段将原材料加工成 反射器的形状。
机械加工工艺可以制造出高精 度和复杂形状的反射器，适用 于对精度要求较高的场合。
机械加工工艺的缺点是生产效 率较低，成本较高，且对于大 型反射器的制造较为困难。
表面处理工艺
表面处理工艺是对反射器表面进行涂装、镀膜等处理，以提高反射器的反射效率和 使用寿命。
常见的表面处理工艺包括镀银、喷涂等，可以提高反射器的耐腐蚀性和美观度。
详细描述
能效测试采用功率计测量灯具在一定时间内的耗电量，并计算出每平方米的照明功率；寿命测试则是在连续点燃 的情况下观察灯具的光衰程度，以确定其使用寿命。高能效、长寿命的灯具能够为企业节省能源和维修成本。
05
灯具反射器的应用案例
室内照明应用案例
家庭照明
灯具反射器在家庭照明中广泛应用，通过反射灯光，使光线更加柔和、均匀，提高照明 效果和舒适度。
种类与特点
平面反射器
结构简单，制造成本低，但反射 效率相对较低。
球面反射器
适用于广角照明，具有较好的光 线调节能力，但反射效率略低于 凹面反射器。
01
种类
根据形状和结构的不同，灯具反 射器可分为平面反射器、凹面反 射器和球面反射器等。
02
03
04
凹面反射器
具有较高的反射效率，适用于聚 光照明，但制造工艺较为复杂。
LED照明光学系统设计解读
LED照明光学系统设计解读LED照明光学系统设计是指通过优化LED光源的光学器件和光学结构，实现高效、均匀的光照分布和良好的照明效果的过程。
LED照明光学系统设计对于提高LED照明的亮度、能效、色温的一致性以及可靠性等方面具有重要的意义。
下面将从光源封装、光学透镜和反射杯、光学设计及照明效果等方面详细解读。
首先，光源封装是LED照明光学系统设计的基础。
光源的封装设计直接影响LED照明的亮度和能效。
高质量的封装材料和良好的封装工艺可以提高光源的光输出效率，并增加热散发。
同时，合理的封装设计可以有效控制光源的辐射角度和光照分布，实现良好的光照均匀性。
其次，光学透镜和反射杯是LED照明光学系统设计中常用的光学器件。
光学透镜的设计可以实现光束的聚光、散射和光线的整形等功能，从而控制光照的角度、亮度和分布。
反射杯主要通过反射作用，将光束从LED光源中折射出来，实现光的集中和扩散。
优化透镜和反射杯的结构和材料选择，可以减小光损耗、提高光透过率和控制光照角度，从而达到更高的照明效果和节能目标。
光学设计是LED照明光学系统设计的核心内容之一、光学设计通过光学模拟软件和实验测试手段，对照明光源、光学器件和光学结构进行合理的布置和调整，以实现最佳的光学效果。
光学设计的参数包括光源的位置、光束的角度、透镜的形状和材料等。
通过合理调整这些参数，可以实现均匀的光照分布和较高的亮度，并避免光照的盲点和温差。
最后，照明效果是衡量LED照明光学系统设计优劣的重要指标。
优秀的LED照明光学系统设计应该能够实现不同场景下的光照需求，包括光照的均匀性、亮度、色温和色彩还原指数等。
高质量的照明效果可以提高用户的舒适感和工作效率，同时也可以减少眩光、防止光污染、降低能耗和延长LED照明产品的使用寿命。
综上所述，LED照明光学系统设计是一项复杂而重要的工作。
光源封装、光学器件的优化、光学设计的合理布置以及良好的照明效果等都是实现高效、均匀照明的关键要素。
全内反射TIR透镜介绍
全内反射（TIR ）为提高LED 光能利用率,设计了一种自由曲面的全内反射（TIR ）透镜。
全内反射透镜是采用全反射原理，将光线收集，并处理。
根据LED 的光能分布特点,通过控制光线路径得到TIR 透镜折射面和反射面轮廓曲线上的离散点,利用插值得到样条曲线,再经旋转360°得到TIR 透镜的模型。
利用Tracepro 软件对经TIR 透镜的光线进行追迹,根据光能利用率要求优化透镜结构,得到在保持透镜小尺寸的同时,光能利用率为95.26%,光束的发散角控制在±15°以内。
目前有两种形式的全内反射透镜，分别是鳞甲全内反射透镜和复眼透镜全内反射透镜两种形式，他们均可完成对光线的收集，并通过调整复眼透镜曲率半径或者鳞甲反射面的曲率半径，方便实现光束出射角的控制。
鳞甲全内反射透镜的设计原理和步骤：1、按照光学反射定律，通过MATLAB 编程计算出反射罩表面数据；2、在光学软件中通过scheme 程序建模获得的3d模型；3、追迹光线，验证效果，根据结果调整反射罩结构。
与在机械软件中的设计方法有本质的区别，此种设计方法设计出的反射罩对光束的控制十分准确。
运用程序直接在光学软件里生成3d 模型，避免了手动操作时大量的误差出现，以及不同种3d 软件之间格式转换出现的格式错误，又大大提高了设计建模效率。
采用根据光学原理，编制程序，自动生成反射罩模型的方法，反射罩的设计、建模将会十分快速、精准。
复眼透镜实现均匀照明复眼透镜均匀照明的基本原理系统结构如图所示，点光源S 置于准直透镜L1的焦点上，复眼LA2上每个小透镜的中心位于复眼LA1上对应的小透镜的焦点，像平面P 位于聚光镜L2的焦平面。
点光源经L1后成一束与光轴平行的平行光，光束经过复眼LA1后聚焦到第二块透S L1 L2 LA1 LA2 P复眼均匀照明原理图镜的中心处，即复眼LA1将光源形成多个光源像进行照明，复眼LA2的每个小透镜将第一排复眼透镜对应的小透镜重叠成像在照明面P上。
基于TIR结构LED准直透镜的设计与实现
基于TIR结构LED准直透镜的设计与实现王未未【摘要】介绍了一种LED自由曲面准直透镜的设计方法, 并运用该方法设计了一款基于全内反射,结构的准直透镜. 对初始结构不断进行逼近, 最终得到准直透镜的模型. 透镜外径为35 mm, 总高为21.5 mm. 透镜匹配Cree公司XPE光源进行计算机模拟, 效率高达84.8%, K值高达125.8 cd/lm. 模拟应用于35 W的探照灯时, 在100 m远处形成一个直径为8 m的圆形光斑, 光斑中心照度高达60 lux. 透镜实际样品被制作出后, 经过测试, 实际透镜的光束角为3.2 °. 此款透镜被用于实际探照灯灯具中.%A design method for collimating LED lens with free surface is introduced and a practical collimating lens with the method based on TIR (Total Internal Reflection ) is designed by approximating for the final 3D model successfully .The maximum diameter of the lens is 1 mm with a height of 2 puter simulation with the lens matched with CREE -XPE shows an efficiency of 84.8% and a K value of 125.8 cd/lm.With the lens applied to 35 W searchlight , a spot of a diameter of 8 m results with the spot center illumination up to 60 lux 100 m away 3.2 °.Tests on the fabricated collimation lens show a beam angle of .The lens is used in the actual searchlights .【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2016(029)001【总页数】4页(P5-8)【关键词】TIR准直透镜;光学设计;自由曲面;TracePro【作者】王未未【作者单位】江苏大学机械工程学院,江苏镇江 212013【正文语种】中文【中图分类】TN312+.8AbstractA design method for collimating LED lens with free surface is introduced a nd a practical collimating lens with the method based on TIR (Total Interna l Reflection) is designed by approximating for the final 3D model successfu lly.The maximum diameter of the lens is 1 mm with a height of 2 puter simulation with the lens matched with CREE -XPE shows an efficiency of 84.8% and a K value of 125.8 cd/lm.With the len s applied to 35 W searchlight,a spot of a diameter of 8 m results with the s pot center illumination up to 60 lux 100 m away 3.2°.Tests on the fabricate d collimation lens show a beam angle of.The lens is used in the actual sear chlights.Keywords TIR collimating lens;optical design;freeform surface;TracePro 近年来,由于发光二极管(Light Emitting Diode,LED)在光效、寿命、便携性、反应速度等各方面性能远胜于传统光源,全球各国在LED应用的研究和发展上投入了大量的财政和人力[1],LED得到了广泛应用。
全内反射透镜
全内反射透镜每当夜幕降临，城市街道灯光辉煌，人声鼎沸。
夜晚是灯的世界，栩栩如生的金鱼灯、形象逼真的荷花灯、古朴典雅的官灯……灯是落在凡间的精灵，是天上闪着的明星。
灯被发明以来，人们为了追求更适宜的照明效果不断设计各式各样的照明系统，全内反射透镜就是其中鲜明一例。
图1 花灯：后羿射日全内反射透镜最初被称为折反射透镜，又称TIR透镜。
TIR透镜在探照灯、手电筒等照明系统中广泛使用，利用折射和反射面型的合理结构，使光源出射角近乎准直。
但是TIR透镜到底是怎么被一步步设计出来的呢？让我们追溯前辈们设计的思路，学习他们不断创新解决新问题的精神。
TIR透镜的发明设计经历了许多优化步骤。
早在1937年，Lawrence Harris 就已经设计出了具备基本准直功能的折射反射透镜。
最初，他的设计仅仅包含全反射的原理，如图1所示，将光源置于抛物面型反射面焦点（即标记2处），光线3经过抛物面1的反射会以4方向出射，平行与光轴5。
但是这样的系统无法准直角度小于光线6的光线。
图 2 图 3后来，Lawrence Harris发现运用折射原理可以准直小角度光线。
如图2所示，当光源被置于椭球体一个焦点13处时，光源发射光线经过另外焦点所在半球任一点（如15点时），光线会被准直，平行与光轴出射（如17）。
但是上述两种系统难以组合到一起，于是新的系统外形又被设计出来，如图3所示。
7弧线仍为抛物面，11点为抛物面焦点，9面为一段以11为焦点的半圆，光线经过半圆面方向不会发生改变，经过抛物面发生全反射，出射光线光路与图1所示系统相似。
图 4 图5将图2与图3系统结合，构成图4所示系统。
23同时为抛物线24，以及椭圆22的焦点，光源置于23所在位置，则光线无论出射至抛物面、椭圆面都可以被准直，图1所示问题得到基本解决。
但是并不是所有角度的光都可以被准直，光线如果出射到如图5所示27位置时就无法实现平行光出射。
图 6 图7为了使27位置处可以出射平行光，通过将27旋转一定角度到使其延长线交过焦点29达到图6所示31位置，经过抛物面28全反射后的光线在通过倾斜面31的折射后可以平行出射。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
一种全反射型的LED路灯透镜光学设计（附图）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。
这种情况下的LED路灯就不能叫做“节能”和“绿色照明”了。
国家城市道路照明设计标准要求LED路灯的光斑如图1（b）所示，光斑为长方形，正好可以覆盖马路，并且有很好的均匀性。
LED的二次光学技术，不同于其他的学科，是一门涵盖非成像光学和3维曲面建模的交叉学科，二次光学的设计可以有效解决LED路灯的出光效率、均匀性、配光角度、眩光和安全性等问题，提供符合于国家标准所要求的配光，真正实现环保和绿色的照明。
另外LED路灯有较好的显色指数（CRI），根据需要可以调节不同的色温使其可以满足白天、晚上、晴天和雨天等不同的环境。
图1(a)没有经过二次光学设计的LED路灯的光斑，(b)经过二次光学配光设计的LED路灯的光斑全反射式二次光学透镜可以收集从LED芯片发出的全部180°的光，并重新分配到指定的区域，是个很好的解决方案。
自由曲面的配光可以使LED路灯光强的远场角度分布呈蝙蝠翼分布，使光斑成长方形，并且光斑的中间和边缘比较均匀，利用边缘光线原理，透镜还可以实现截光设计，消除眩光。
以下为一种全反射式二次光学透镜的设计方法。
2、全反射式二次光学透镜的设计图2：全反射式二次光学透镜的3D模型（点击放大）图2为一种全反射式二次光学透镜的3维模型。
透镜由4部分组成，中间内凹的非球面柱面镜部分、侧面的全反射棱镜部分、两端的全反射棱镜部分、以及上表面“W”型的自由曲面组成。
透镜将郎伯型LED 的光配成沿X方向120°（沿着道路方向）以及Y方向60°（垂直于道路的方向）的光度分布。
透镜的设计遵循“边缘光线原理”[1]，即在X方向，输出光线的边缘光线的与光轴的夹角为±60°，其他所有的输出光线都分布在这一角度之内，在Y方向，输出光线的边缘光线的角度为±30°。
透镜的设计原理如图3所示。
其中Y方向的配光原理如左图，从LED发出的中间部分的光，由内凹的柱面镜进行会聚，会聚后所有输出光线的反向延长线交于一虚焦点“F”，“F”与柱面镜边缘组成的这部分光线，再经过上表面之后，分布在角度±30°之内。
剩下从LED发出的往侧面部分的光，则由侧面的全反射棱镜进行配光。
经入射面入射到外侧全反射面的光线，从下到上，其反射角是渐变的，再经过上面的输出面折射之后，这部分光也分布均匀在±30°之内。
沿X方向的配光原理如图3的右图，内凹的柱面镜覆盖了从LED发出的中间部分的±76°之内的光线，上表面“W”形状的曲面将这部分的光线均匀分配在发散角为±60°之内，并形成一个蝙蝠翼的配光曲线分布。
透镜两端各有一全反射棱镜，用来起截光的作用，收集剩下从LED发出的±76°~90°的光（这部分光如果不经过配光，直接射出后会造成眩光），经过透镜两端外侧的全反射面反射和上表面“W”曲面的折射之后，重新分布在光束角±30°之内。
两部分的光叠加一起后形成一光束角为±60°的光度分布，其光强的远场角度分布（配光曲线）为蝙蝠翼形。
图3：Y和X剖面的设计原理在透镜的Y方向，内凹的非球面柱面镜的设计和外侧全反射面轮廓线的设计如图4的(a)和(b)所示。
图4(a)为Zemax中的光路图，从LED射出的±40°以内这部分光线，经过柱面镜折射之后，所有光线的反向延长线交于虚焦点“F”，经过点“F”和柱面镜的边缘所形成的边缘光线，其与光轴的夹角为±19.6°，经过上表面折射后，形成±30°的出射光线。
图4(b)为用来计算外侧全反射轮廓线上各点坐标值的数学模型。
其中q为LED出射光线OP与光轴OO¢的夹角；Q(x,y)为外侧全反射轮廓线上一点Q的坐标值，其反射线QR与光轴的夹角为d；a为全反射棱镜入射面的拔摸角，以利于中间柱面镜模芯的拔出，这里设置为2°。
(a)(b)图4(a)内凹柱面镜Y方向剖面在Zemax中的光路图，(b)全反射棱镜部分Y方向剖面的数学建模当q角从90°变化到40°时，反射角d（即反射光线QR和竖直线QT之间的夹角）从0°变化到19.6°。
从点Q(x,y)的角度关系，可以得出以下的式子：(1)以及：(2)从公式(1)及(2)，可得出以下的式子：(3)其中，b为曲线BD在点Q(x,y)处的切线角，g为切线QZ与竖线QT的夹角，PQ为P点位置的折射光线，q¢为PQ与水平线之间的夹角。
曲线BD的导数和切线角b的正切函数之间有如下的关系：(4)其中，dy和dx为曲线BD在Y和X方向的微元。
根据在P点位置的斯涅尔定律[3][4]，有如下关系：因此：(5)当q角从90°变化到40°时，d从0°渐变到19.6°，假设AB的初始值为1mm，联合公式(1)、(3)、(4)、和(5)，Q(x,y)点的坐标值可以通过数学模型的积分迭代法依次算出。
图5：X剖面，上表面配光设计的数学模型针对上表面在X方向上的配光，其数学模型如图5所示。
根据柱面镜底部AB轮廓线上P点位置的斯涅尔定律，有(6)再根据Q(x,y)点位置的斯涅尔定律，有如下关系式：(7)式中，a为竖直线QV与出射光线QR的夹角，b为法线QN与竖直线QV之间的夹角，q为LED的出射角，q¢为P点位置的折射角，n为透镜材料的折射率。
为了配成蝙蝠翼状的光强的远场角度分布，当LED 的出射角q从0°变化到76°时，输出光线满足以下的关系：,ifq£60°(8)以及,if60再根据以下曲线CF的微分和切线QS的正切角函数之间的关系：(10)联合公式（6）至（10），上表面的马鞍形曲线CF的数值坐标可以用积分迭代法一一计算出来。
在X方向剩余从LED射出的角度q为76°至90°的这部分光线，如果不经过配光直接射出，则会对远处的车辆产生眩光，这部分的光需要进行截光设计，所谓截光设计，并不是把这部分的光遮挡，而是将这部分的光重新分配到所需要的地方。
这里采用透镜两端的全反射面EF将这部分光进行收集并重新分配，计算方法同上述图4的算法一样，重新分布后的光束角为±30°。
3、全反射式二次光学透镜的计算机模拟透镜所有的透射面和反射面的轮廓线计算完成之后，数据点可以输入到3D建模软件（如CATIA或者Unigraphics）中进行3维实体模型的建立。
将二次光学透镜实体连同LED的实体模型输入到LightTools[5]中进行光线追迹，如图6所示。
LED芯片的发光面赋予1´1mm的郎伯型的发光特性，输出光通量设置为80流明/瓦，单颗为1瓦，透镜的短边方向为垂直于马路的方向（Y方向），透镜的长边的方向为沿着马路的方向（X方向）。
图6：全反射式二次光学透镜的光线追迹图7为单颗透镜在12米远处的照度分布，光斑最大照度值为0.167勒克斯，在36米´14米范围之内的其均匀度超过了50%。
屏幕总共收集到的光通量为78.715l流明，换算成透镜的出光效率，为98.39375%，考虑到透镜材料本身的透过率，假设透镜材料本身的透过率为92%，实际注塑出来的透镜产品的效率将超过90%。
单颗透镜光强的远场角度分布（配光曲线）如图8所示，图中实线为Y方向的远场角度分布，其峰值光强一半位置处的光束角宽度约为±30°；虚线为X方向的远场角度分布，其峰值光强一半位置处的光束角宽度约为±60°。
透镜在X方向的配光曲线为很好的蝙蝠翼分布。
图7：单颗透镜在12米远处的照度分布（点击放大）图8：单颗透镜光强的远场角度分布4、LED路灯的整灯的计算机模拟由于一般的道路照明要求路面照度的平均值超过20勒克斯，采用单颗的高功率LED来实现道路的照明，其照度是远远不够的。
一盏LED路灯往往需要由很多颗LED组成，才能达到所需的照度。
根据不同路面、灯杆高低、以及灯距的要求，可以分别采用不同数量的高功率LED，LED路灯往往有30瓦、60瓦、90瓦、120瓦、160瓦等不同的规格。
由于单颗二次光学透镜已经实现了长方形光斑的配光设计，整个路灯只需要将这些LED透镜按照相同的方向排列起来装配在一个平的散热板上即可，透镜排列的间距和排列形状对配光没有影响。
图9为LED路灯整灯的建模及在LightTools中的光线追迹。
这里总共排列了160颗、单颗1W、每瓦80流明的LED。