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用于LED道路照明的渐变菲涅尔透镜设计

摘要
LED 作为一种新兴照明
光源,因其在生产过程中不会产生污染,成品绿色环保,功耗远低于传统高压钠灯,且使用寿命长、电光转换效率高,使得越来越多的国家开始关注它在照明领域的发展前景。在照明行业中,传统灯具被 LED 所取代已成为一个必然趋势。作为城市化建设的一项重要内容,良好的夜间道路照明条件也可以减少犯罪活动出现的概率,并具有美化城市夜景的效果。将 LED 用于道路照明时,由于其固有的光强度分布曲线无法直接满足道路照明的要求,需要通过二次光学设计来改造原有的光强度分布曲线,形成所需的配光曲线,因此如何最大化提高灯具的光效率以及选择合适光强度分布形式即 LED 二次光学设计成为道路照明的重要研究课题。

现阶段国内外用于道路照明的 LED 透镜主要采用自由曲面透镜的结构形式,可分为“花生壳”透镜和 TIR(total internal reflection)透镜两种类型。但这两种透镜均存在厚度较大从而导致散热性差的问题,而且这一缺点因传统透镜的结构特点而无法克服。菲涅尔透镜相比于传统透镜最大的优势是厚度薄、重量小、透光率高,但由于其保留了原透镜的曲率半径,因此可基本保持原光路不变。本课题立足于对用于LED 道路照明的渐变菲涅尔透镜设计,论文内容主要包括以下方面:

1)介绍了 LED 的优势、分类方法及自由曲面透镜的几种设计方法,明确课题研究内容。研究了《城市道路照明设计标准》(CJJ45-  2006)的配光要求。在介绍非成像光学理论的基础上,分析了照明的相关概念、自由曲面光学器件的设计方法和路灯透镜设计流程。

2)确定所用 LED 光源的辐射特性,以及目标照明面的照度要求,根据能量守恒定律将光源和目标照明面进行均匀的网格划分,然后以边缘光线理论以及Snell 定理作为理论基础,列出反映自由曲面面型的偏微分方程,使用 Matlab计算得到自由曲面的面型数据。

3)构建自由曲面透镜模型,将面型数据导入Solidwork中通过曲线放样、曲=面缝合以及镜像等步骤,拟合出透镜实体。在研究过程中,提出一种新的快速建模的方法。该方法是在Tracepro中,利用Schem语言直接快速建模。分析比较了两种建模方法的利弊。

4)构建渐变菲涅尔透镜,建模出 10 个出光效果相同但大小不同的自由曲面透镜,叠加后进行切割,使其外表面呈现出菲涅尔面型,从而减小透镜体积、增加散热性能。  

通过光学设计软件 Lighttools 模拟分析结果表明设计的渐变菲涅尔透镜满足道路照明要求,光照均匀性好(照度均匀度达 68%),且透镜厚度明显变薄,解决了传统自由曲面路灯透镜散热性能差的问题,提高了 LED 的透光效率和使用寿命。经过合理排布渐变菲涅尔透镜,进一步提高了光照均匀性(照度均匀度达95%)。

关键词:LED,自由曲面透镜,菲涅尔透镜,非成像光学,二次光学设

第一章  引言
1.1 研究背景
作为城市化建设的一项重要内容,良好的道路照明可以让机动车驾驶员获得有利的驾驶条件,从而保障驾驶安全、提高交通运输效率,良好的夜间照明条件也可以减少犯罪活动出现的概率,并具有美化城市夜景的效果。现阶段路灯要为高压钠灯,但其输出功率小,且容易产生眩光,因此人们一直在尝试研究新型路灯。

新型大功率高发光效率LED光源的出现给道路照明的未来发展以新的方向。近些年,市场上逐渐推出了功率超过 1W 的白光单颗 LED 光源,其发光效率逐年增长,目前市场化的大功率 LED 基本达到了 120lm/w~150lm/w,国外美国 CREE公司、德国欧司朗公司实验室内研制的大功率LED 超过了 200lm/w。高效 LED光源的出现给国家的节能减排任务带来了有效的解决途径。据统计,目前我国的照明用电量约占总用电量的 13%,其中道路照明的用电约为照明用电总量的三分之一,2012 年我国全国用电总量约 49591 亿千瓦时,如果道路照明全部采用 LED光源,按 120lm/w 的光效,可节约用电量 580 亿千瓦时,2012 年三峡电站的发电总量为 981 亿千瓦时,由此可见未来 LED路灯具有巨大应用价值。

由于现在大部分的 LED 出光呈朗伯型分布(Lambertian distribution),这种形式的特点是中心部分光强比较强,且呈对称型圆形光斑分布,若直接用于道路照明会有很大部分的光能浪费,且眩光效应明显,影响驾驶安全(如图 1.1 所示)。为使 LED 路灯满足城市道路照明设计要求,同时有效利用其光照,需要对 LED进行二次配光设计,使其产生一个长方形、光强均匀分布的光斑(如图 1.2 所示),理想的配光曲线呈蝙蝠翼形状(如图 1.3 所示)。目前,满足蝙蝠翼光强度分布曲线的二次配光透镜多采用“花生壳”的结构形式。“花生壳”透镜的前表面具有自由曲面特性,在 C=0°和 C=90°方向具有不同的截面特性,对光的效应主要基于折射原理。在 C=0°方向呈中心凹,两侧凸的特征,相当于中心区域为负透镜,对中心LED 灯下点主极大光强具有减弱的效应,而两侧特别是在 60°方向,透镜具有最强光焦度正透镜的效应,对两侧衰弱的光强具有加强作用,经过优化设计后,可形成较为均匀的光强。在 C=90°方向,透镜呈聚光效应,并具有偏心特征,以便将有效的光输出集中在侧前方。然而不足之处在于,花生壳透镜的透镜内腔过于狭小,透镜材料厚处可达 4mm 左右,在和 LED封装在一起后,LED 前方没有足够的散热空间。相比较国外 CREE 公司、欧司朗等由于 LED 材料特性好,发热率远远小于国内生产的 LED,因此,前方散热问题并不突出,路灯长时间工作仍然可以保证比较高的发光效率,然而国内的 LED 虽然价格便宜,成本较低,但发热量大,如果前方空间散热特性不好,LED 的使用寿命就会远低于预期,且散热差还会导致 LED 使用一段时间后光衰减很大,由于 LED自身成本高于高压钠灯,若不能达到预期寿命则起不到降低成本、节约能源的效果。

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本课题创新性的提出将菲涅尔结构与自由曲面面型相结合,由于菲涅尔透镜的设计容许大幅度地削减透镜厚度(以及重量与体积),同时不改变原始透镜的出光效果,且光线透过率更高,这些优势使得菲涅尔透镜在非成像光学应用方面具有巨大优势。因此将自由曲面透镜结构设计成为菲涅尔透镜结构,可以有效提高 LED 出光效率,同时减小透镜厚度,从而增加散热效率及使用寿命。

1.2 LED 的分类及优势
1.2.1 LED 的分类
从不同的角度可以对 LED 进行不同的分类,以下分别从发光颜色、出光特征、光强角度、结构及光强对 LED进行详细分类。

1.  按 LED 的结构进行分类
根据LED 的封装结构不同,可分为全环氧包封,金属底座环氧封装,玻璃封装,陶瓷底座环氧封装等类型。

2.  按 LED 的发光颜色进行分类
根据 LED 的发光颜色不同,可分成白光、蓝光、红光、橙光、绿光等。根据LED 发光的部位是否掺杂了散射剂,掺杂后是否有颜色进行分类,上述各色 LED还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。

3.  按LED 的发光强度进行分类
根据 LED 的发光强度分,当光强小于 10mcd 时,被称作普通亮度 LED,当发光强度大于 10mcd 而小于 100mcd 时,因其亮度较高,被称作高亮度 LED,当发光强度大于 100mcd时,亮度非常高,被称为超高亮度 LED。

4.  按 LED 的光强角度进行分类
根据 LED 的光强分布图来分,可分为高指向型的 LED 和标准型 LED,高指向型 LED 结构一般为尖头环氧封装,或者是带金属反射腔的封装,并且在发光部位也没有散射剂。由于其强度半角很小,一般范围在 20°到 50°之间,因此这种 LED 的指向性就比较高,可以在局部照明时采用;标准型 LED 强度半角通常大于 20°但小于 45°,由此可以看出这种 LED 也是小角度的 LED 光源,因此可用于指示灯;第三种叫做散射型 LED,顾名思义其具有光的散射,因此发光角度很大,可达 90°到 180°。

5.  按 LED  的光面特征进行分类
不同的 LED 出光效果也不同,有的出光效果为圆形,有的为矩形,不同的出光效果可以用在不同的场合,具体来说,LED按照出光效果分类,主要为可分为圆(或方)灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。其中圆形灯还可以根据直径的不同进行分类。

1.2.2 LED 的优势
LED 作为新型节能光源,相比于传统的照明光源有很多不可比拟的优势。因为以下优势,使得 LED 吸引了人们的普遍关注,并出现逐步取代传统光源的趋势:

1.  效率高:按照传统对光效的定义, LED 的发光效率不是很高 ( 常见的为10-30lm/w,但现阶段出现的白光 LED光效最高为 55lm/w,但其优势在于发出的光都在可见光波段。

2.  光线质量高:由于 LED 的光谱几乎均在可见光波段,因此没有紫外线和红线,不会产生很大的热量和辐射,因此 LED 可看作绿色光源。

3.  光色纯:传统白炽灯发出的光谱范围很广,几乎遍及整个频段,但白  LED的光谱段限制在可见光波段,因此其光色比较纯。

4.  功耗低:单个 LED 的功率范围通常为 0.05-1W,通过集群方式可以根据实际情况选择合适的LED 光源来使用。

5.  寿命长:单个 LED  的光通量由 100%衰减为 70%的标准测量工作时间为十个小时。

6.  结实可靠:在 LED 中没有钨丝、玻壳等这些容易损坏的部件,非正常损毁的可能性不大,因此可节约相当部分的维护费用。

7.  应用灵活:由于 LED 体积很小,为毫米级,可平面封装,易开发成轻薄产品,以点、线、面各种形式均可以做成相应的具体产品。

8.  绿色环保:废弃物可回收,生产过程以及成品均无污染,而传统光源如荧光灯中含有汞成分。

1.3 LED应用于照明的发展和国内外概况
1.3.1 LED 应用于照明的发展
1879 年爱迪生发明了灯泡,标志着人类从此进入了电力照明的时代,而在此后的一百多年中,人类最主要的照明工具就是白炽灯。到 1950 年,历史上第一个 LED 被英国科学家发明出来,他所使用的材料是砷(As)化镓(Ga),其正向 PN结压降为 1.424V,发出的光线为红外光谱,这个新型光源的发现促使人类放眼于半导体照明光源技术的研究。第一个有历史意义的 GaN蓝光LED 出现在 20  世纪 90  年代早期(日亚公司于 1993 年宣布),LED 三基色缺色的历史得以结束。白光LED 出现在 20  世纪末,它是一种具有高效、节能、环保、寿命长、易维等特点的绿色光源,由于其具有传统光源无法比拟的优势,吸引了很多发达国家及地区政府的关注。

人类照明史上继白炽灯之后的第二次照明革命是半导体照明,由于白炽灯的电光转换效率为 12%-18%,其中的大部分能量因转换为热能而损失,但白光 LED 的电光转换效率可高达 80%-90%,其电光转换效率远高于白炽灯。LED  是一种新型固态光源,属于半导体发光器件,具有很多传统白炽灯或荧光灯不可比拟的优势。LED 为绿色节能光源,并且寿命远比白炽灯长。由于自然资源日益紧缺,环境的愈加恶化,倡导绿色节能光源已成为全球的共识,越来越多的人始放眼于 LED 的发展前景。

LED在背光照明领域具有广阔的应用前景,Sony 公司于 2004 年率先推出以 LED 作为背光光源的液晶电视。与传统的 CCFL(冷阴极荧光灯)背光源电视相比,使用 LED 作为背光源的电视外观更薄,且具有画质清晰、响应速度快、节能环保等优势,深受广大消费者喜爱。由于 LED 的优势,CCFL 将逐渐被时代所淘汰,厂商们更多的采用 LED 作为背光照明光源,用在笔记本电脑和电视机的显示系统中。现在的苹果电脑也均采用 LED 作为背光光源。由于 LED 体积小,可电脑更轻薄,因此  LED 背光光源在显示器应用方面拥有光明的前景。

在景观照明和日常照明领域,LED 的应用也越发广泛。由于绿色节能已成为现代社会倡导的概念,许多重大运动会都将其作为主题,如2008 年的北京奥运会、2010 年的上海世博会和广州亚运会都大量采用 LED用作照明,贯彻绿色节能的理念。

汽车照明领域,早在 20 世纪初就有厂商开始将 LED 用于车灯光源,截止到目前为止,众多知名品牌汽车都陆续推出各式各样配有 LED车灯的汽车款式。由于 LED 结构稳定,不易损坏,因此具有较好的抗震性能;现有 LED 灯的响应时间仅为几十纳秒,远低于白炽灯,因此将 LED  用作汽车尾灯时遇到紧急情况可快速响应,有利于后续汽车司机及时作出反应,使驾驶更加安全;LED 体积巧,便于设计,使汽车风格更加时尚、多样。随着科技的进步,LED在汽车上的应用规模必将扩大化,最终可占据整个汽车照明市场。

在太阳能照明领域,LED 也越发受到重视。太阳能电池板白天接受光照积蓄电能,晚上将积蓄的电能通过蓄电池提供给 LED 用于夜间照明。在公路隧照明庭院灯和农村的道路照明等应用中都开始采用这样的照明方式。

1.3.2  国内外发展概况
日本最早意识到了 LED 的广阔前景,从 1990 年左右开始,日本就已做出了“21 世纪照明”计划,其目的是将 LED 应用在日常生活的各项照明中,由于 LED是绿色环保且使用寿命长的新型光源,若实现其广泛使用,可大量减少二氧化碳的排放,从长远看还可以降低能源消耗,节约资金。为吸引更多的机构加入到个项目中,日本政府投入了大量资金,已有很多高校及研究院所对此项目产生兴趣,目前,该项计划已经进入第二个阶段。

美国能源部也计划在 10 年内拥有自己的半导体照明技术。计划的目的是使美国在可能到来的 LED 照明光源市场竞争中能够领先于日本,欧洲,韩国等竞者。CreeLumileds 等大公司和很多高校及科研机构都纷纷加入这项计划。

而欧盟和韩国也纷纷制定出相关 LED 研究计划,由国家带头,制定出与其关的研究计划,并以优惠政策吸引大型公司,大学及科研机构进行各自的 LE照明技术研究,这些机构凭借其强大的科研实力,目前在许多关键技术上取得了令人振奋的突破。

我国与其他国家相比在LED 的研究方面起步较晚,第一只自主研发的 LED是由中科院长春光机所在 1986 年研制的,其发明标志着我国 LED 产业的正式起步。虽然目前我国已经具有完整的 LED 生产产业链,但在 LED 产品的关键技术方面我国与国外相比还是存在相当大的差距,原因在于我国的集成电路制造基础薄弱,LED封装技术及材料技术相对于国外来说还是差一些,仍需很长时间进行提高。此外,由于我国的 LED 技术主要是由大学及科研院所承担研究任务,缺乏与企业的直接沟通,从而影响 LED 的广泛推广。但我国也在二十一世纪初启动了“国家半导体照明工程”计划,在很多地区都进行了 LED 产业的推广,倡导节能减排,提倡绿色能源的广泛使用,越来越多的企业开始注意到LED 背后的商机,相信在不久的将来我国也将迎来 LED产业的大力发展。

1.4 自由曲面照明相关理论
人类的日常生活离不开光,但如何对光进行调配使其更好的服务于人们的生活是人们多年来研究的课题。对于一般的光源,若将其直接应用于照明往往很满足人们的需求,因此就需要通过一些透镜来对光能进行调配。过去人们常使用常规的半球面或椭球面进行光能调配,这些常规曲面都具有固定的表达式,但如果一个系统需要对局部光分布进行调整时,常规曲面由于改变任何一个参数就引起整体形状的改变,很难实现光能的局部调控,这时一种新型曲面就逐渐走入人们的视线,那就是自由曲面。

自由曲面是有很多个不同的面型通过一定的规律联系起来的,其整体不具有特定的表达式,只能对各个部分进行分类表达。自由曲面表达种类较多,理论上来说,可以采用各种多项式进行描述。但考虑到光学设计和数据处理要求,成像和照明分别有其常用的曲面表达方式。在成像光学设计方面,主要采用超环面、双锥度系数曲面、不对称非球面、XY多项式曲面,ZERNIKE多项式等对自由曲面进行描述。在照明光学设计方面,多采用非均匀B样条对自由曲面进行描述(图1.4所示)。

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在二十世纪六十年代时样条曲线曲面在飞机和汽车行业中用于电脑中的曲面造型和零件加工,用以生产精度极高的零件。多年的发展使曲线曲面的参数向量表达方法变化了很多种形式。现在,B样条曲线曲面被引入到光学设计中,用来表示形状不规则的自由曲面,更加方便快捷的表达方式改变了过去自由曲面表达式极为复杂的情况。B样条曲线曲面的引入,使得在设计中可以极为方便的对自由曲面进行微调,有助于实现交互式曲面造型。而在照明应用中,更多的需要自由曲面对LE的光分布进行合理分配,因此在照明中对自由曲面的需求更为广泛。

1.5 菲涅尔透镜
1.5.1 菲涅尔透镜的简述
菲涅耳透镜(英文:Fresnel lens),又称螺纹透镜,最早由法国物理学家奥古斯丁·菲涅耳发明,其主要特点是比原透镜透光率高、重量和体积变小,同时当平行光入射时,焦距会有一定的缩短。相比传统的球面透镜,菲涅耳透镜通过将透镜划分为一系列理论上无数多个同心圆纹路(即菲涅耳带)达到相同的光学效果(如图 1.5 所示),同时节省了材料的用量。其工作原理十分简单:假设一个平凸透镜的折射仅仅发生在其凸面上,那么就可以仅保留该凸面的曲率,将中间不影响光线偏折的部分剔除。从剖面图看,其表面两侧是一系列锯齿型的槽,而中心部分是椭圆型弧线。在此透镜的第一个也是最大的一个变种上,每一个环实际上都是彼此不同的棱镜。这一系列的槽被划分的很细微,因此使得菲涅尔透镜看起来像一个整片玻璃,但仔细看就会发现上面有很多细小的槽,就是这些小槽使菲涅尔透镜的厚度变得十分小。

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1.5.2 菲涅尔透镜的发展现状
目前,在国际上有人试图研制大型菲涅尔透镜将其用在太阳能聚光器上。常为了降低成本,使用塑料或有机玻璃制造,由于菲涅尔透镜是平面结构,又具有聚光的本领,且体积小、重量轻,常被用于太阳能聚光发电系统上。

从1970 年左右开始,我国也关注了菲涅尔透镜的研究工作。人们尝试过模压方法和组合成型道具的方法去加工点聚焦型菲涅尔透镜,但均未成功。近几年有人采用模压方法成功加工出了线聚焦型菲涅尔透镜,但精度还是不够。目前国市面上出现的光导纤维聚光器和荧光聚光器都是利用菲涅尔透镜进行聚光的太阳能聚光器,虽然并未推向市场,但其出现还是令人振奋的,为我国未来在菲涅尔透镜的应用和推广方面指引了方向。

1.6 论文的研究目的及意义
尽管这些年我国在 LED 研制方面取得了很大进步,但受工业体系的限制,我国在材料和微电子技术上还和国外有较大差距,集中表现在材料的发热率上,我国研制的 LED路灯如果采用国外生产的大功率 LED,造价将远远超过国外公司的路灯产品,无法取得市场竞争优势,如果采用国内生产的 LED,虽然造价低,但由于LED 具有高发热率,因此可靠性和使用寿命会受到影响。

目前,二次配光技术成为我国 LED 道路照明的一项关键技术,对道路照明产品的性能具有重大影响,而目前现有的花生壳透镜和 TIR 透镜都存在散热性能差的问题。此外,由于透镜厚度大导致出光效率也有所降低。本课题创新性的提出将菲涅耳结构用于自由曲面透镜上,菲涅耳透镜的设计容许大幅度地削减透镜厚度(以及重量与体积),同时不改变原始透镜的出光效果,且透过它的光线比透过普通透镜的亮度高,这些优势使得菲涅耳透镜在非成像光学应用方面具有巨大优势。因此将自由曲面透镜结构与菲涅尔透镜结构相结合,可以有效提高LED出光效率,同时减小透镜厚度,从而增加散热效率及使用寿命。

本文所进行的工作可设计一款满足道路照明要求的渐变菲涅尔透镜,且透镜厚度薄,具有良好的散热特性,解决现有二次配光透镜的散热性能差的问题,高 LED 道路照明设备的寿命和可靠性。本文需要完成的任务为:
1. LED  道路照明理想配光的设计方法研究
LED 道路照明理想配光是指设计和计算满足理想道路照明要求的 LED二次光源所输出的光强度分布曲线,即计算照明优化设计的目标函数。

LED 的配光方法很多,其中最为常见的有两种:第一种是将 LED 灯珠进行弧形排列。首先对单个 LED模组采用轴对称透镜或反光杯透镜进行配光,将配光后的模组按照弧形排列,其目的是依靠调整弧形曲率以产生矩形光斑。但该方法会造成很大的光浪费,且光照均匀度也达不到国家规定的《城市道路照明设计标准》(CJJ45-  200),同时这样的弧形排列使得 LED 路灯很难设计出轻薄时尚的外观。

第二种方法是先对每个 LED 进行二次配光设计,使其出射光呈矩形均匀分布在路面上,再对配光后的 LED 透镜进行简单的平面排列,以使其光照强度满足道路照明要求。该方法相比于前面的弧形排列具有很多优势,首先是无需对其排列方式进行复杂计算,只需简单的平面排布,可满足不同造型的路灯设计,其次对于不同照度要求的路面,只需改变 LED的数量即可,使用简单,便于推广。本文主要根据第二种配光方法进行计算。

2.  基于连续自由表面可分离变量的光矢量计算方法研究
照明的二次光学设计实际上是以 LED 一次光源的光强度曲线为自变量,以目标光强度曲线为目标的求解过程,而这种求解是多维度的,没有标准的求解数值,求解过程也很难直接用数学物理方法得到。

采用可分离变量的方法,将多维空间划分为若干区域,构建目标区域至光源空间分布区域的映射关系,将目标空间的变量进行分离,可以通过单区域的光度变化计算子单元的光矢量数值,并形成整个区域内的光矢量矩阵,进而得到二次透镜的光矢量曲面。

3.  基于光矢量描述的渐变菲涅尔曲面初始结构造型
根据 LED 光源的特性及目标照明面的照度要求,将自由曲面在空间角度上均匀划分,同时根据能量守恒定律在目标照明面上也进行均匀的网格划分,然后以边缘光线理论以及 Snell 定理作为理论基础,列出反映自由曲面面型的偏微分方程,使用 Matlab 计算得到自由曲面的面型数据。得到描述自由曲面面型的202组数组。改变初始值,得到十组大小不同但出光效果相同的自由曲面面型的数组。

4.  渐变菲涅尔面型设计
根据菲涅尔透镜设计方法计算出相应的环带宽度,利用 Solidworks,将计算出的面型数据选择十五组,构建一个自由曲面,再利用同样的方法,代入不同大小的自由曲面面型数据,利用等距离沉降的方法构建出建立在自由曲面上的渐变菲涅尔环带,最后通过镜像,曲面缝合,曲面裁剪等步骤拟合出完整的渐变菲涅尔透镜。并将得到的渐变菲涅尔透镜导入 Lighttools 进行光线追迹,验证设计结果。

本文采用“花生壳”型的自由曲面透镜作为渐变菲涅尔透镜的基础面型,且对其设计方法进行了研究,通过比较几种自由曲面的设计方法后,选择了划分网格法,用此方法设计出了满足 1040 mm 范围内可达到均匀照明的路灯透镜,然后,对菲涅尔透镜的设计方法进行研究,将一系列大小不同的自由曲面花生壳镜进行了一体化优化设计,得到了满足道路照明要求且散热性能好的渐变菲涅尔透镜。

1.7 论文的结构和研究内容
本文以产生矩形均匀照明的 LED路灯透镜的设计作为研究背景,针对传统的路灯透镜厚度太大导致散热性不好的问题进行了研究,论文的主要内容有:
第一章,主要包括本文的研究背景,LED 的基本概述及国内外发展历程,由曲面照明的概念介绍,菲涅尔透镜的基本概述,国内外发展历程以及本论文研究的目的与意义等;

第二章,主要分析了自由曲面照明设计的相关基础理论,包括非成像光学的基本概念及发展历程,照明的相关概念,自由曲面路灯透镜的分类及各自的优缺点;

第三章,进行了自由曲面透镜的设计,根据路灯照明的要求和特点,选择了划分网格法作为最终设计方案,内容包括自由曲面花生壳透镜面型数据的计算,分别采用传统的 Solidworks 建模方法和 Scheme 语言快速建模的方法,并将模型导入Tracepro 进行评价分析;

第四章,进行菲涅尔透镜的分析,清楚菲涅尔透镜设计的重要参数及设计方法,对菲涅尔透镜的基本性能进行分析,讨论近些年来菲涅尔透镜的主要应用范围,分析其应用前景;

第五章,根据菲涅尔透镜的设计特点,确定环带宽度,将计算出的若干自由曲面面型数据代入 Solidworks 中进行曲面建模,并根据环带宽度对自由曲面进行曲面切割和曲面缝合,从而形成建立在自由曲面基础上的渐变菲涅尔透镜面型,对建好的曲面通过镜像,曲面缝合,曲面剪裁等步骤拟合出透镜实体,将其导入Lighttools中进行光学仿真,证明设计结果满足道路照明要求,并且透镜厚度明显变薄,解决以往的自由曲面路灯透镜散热性能差的问题。

第六章,总结与展望。

第二章  自由曲面透镜的设计理论分析
2.1 非成像光学的基本概念及发展
2.1.1  非成像光学的基本概念
几何光学是一门致力于提高成像质量的学科,力求在焦平面上呈现清晰的像。但从聚光的角度分析,任何致力于成像的光学系统都无法做到好的聚光效果,而目前用到聚光的领域越来越多,例如太阳能聚光系统和高能物理领域,因此需要放弃成像要求,仅关注聚光能力。近些年来越来越多的学者开始致力于聚光统的研究,由此催生出一门新的学科——非成像光学。

1966 年,“非成像光学”(Nonimaging Optics)的概念被第一次提出来。1967年Baranov在复合抛物面太阳能聚光光学系统的设计中采用了非成像光学理论。七十年代中期,Winston 和 Welford等人在前面研究的基础上对非成像光学的具体概念做了进一步的完善。

非成像光学主要应用在控制光能传递的系统中,但这并不代表将成像排除在非成像光学外。非成像光学主要解决两个问题:使能量传递最大化,使能量按照系统设计的方式排布,通俗地讲就是集光与照明。在太阳能集光系统、LED 照系统等许多方面都会用到非成像光学理论。非成像光学基本不考虑像差对系统的影响,更多考虑的是系统的光能利用率。

2.1.2 能量收集比与光学扩展量
非成像光学研究的主要内容之一是能量的合理分配,而能量收集比率则是反映能量传输的一个重要指标。

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如图 2.1 所示,输入光的面积是 A,经过集光器后,输出光的面积是 A’(表示使所有光均可顺利通过的最小孔径大小),收集效率 C 可由下式表示:

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从本质上讲,收集效率就是输入光与输出光在空间尺度上的压缩量之比。在经过中间部分的作用后,输入光线与输出光线在空间上的大小和方向都发生了变化。这种空间尺度上的压缩在太阳能应用领域具有广泛的应用。

光学扩展量(Étendue  量)度量了当光束通过光学系统时光束源面积和立体角的扩散这两者的变化。在现实世界中并不存在严格意义上的点光源或者无光束角的光源,即使是激光束也具有其光束源面积和光束角,只是这个数值很小而已。在引入  Étendue  量的概念后,系统能量利用率就可以通过光学扩展量来对其进行评价,在 Étendue  量的帮助下我们可以更好地研究计算机照明系统与光源及成像系统间是否完美匹配的问题。

下面首先介绍一下什么是辐(射)亮度。如果面积元 d A 与法向量以夹角为θ 的方向向外发射辐射通量(单位时间发射的能量)为 dφ 的辐射光,定义 L为辐射亮度的表示值,由于辐射光被包在立体角 dΩ 内,其表达式为(如图 2.2所示):

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由此我们可以看出d为一个二阶导数,因为它与 d A 和 dΩ 的计算结果成比例。前面的辐亮度公式也可以如下表示,其中 n 表示 d A 所处环境的折射率:

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其中 L*=L/n2称为基本辐射亮度,且:

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为光学扩展量。

辐射强度是光源在单位立体角内发出的辐射通量,其表达式如下:

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其中 d A 是发射表面的面积,dΩ 指向与表面法向量 n 成θ 角的方向。L 由发出的光线方向所决定。满足如图2.2(b)所示的这种光强分布特征的光源称为朗伯型光源。

由半径为 r 的球面上的面积元 d A*定义一个立体角为:

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如图 2.3中球面坐标所示。

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则面积元 d A 在整个半球面上的发射光通量为:

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假设面积元 d A 是处在温度 T 下的黑体发射体,则总的光通量为:

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在折射率为 n 的材料中史蒂芬—波尔兹曼恒量σ的值为:

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其中σV=5.67*10-8 W·m-2·K-4是其在真空中(n=1)的取值;K 是波尔兹曼恒量;h 是普朗克恒量;c0是真空中光速。由表达式 2-7 到 2-9 我们用公式:

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表示了温度为T 黑体的基本辐亮度。由公式可以看出该表达式是以T 为自变量的一个函数,因此可以有以下四种情况。

第一种情况如图 2.4 所示,我们得到相距为 r 的两个表面 d A3和 d A4,两个表面法线方向 n3和 n4与 r 的夹角分别为θ3和θ4,两个表面之间的介质折射率为n3

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若 d A3向 d A4发射光线,则该光线的光学扩展量为(图 2.4a):

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若 d A4向 d A3发射光线,则该光线的光学扩展量为(图2.4b):

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根据前两个公式可知:

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接下来考虑另一种情况,如图 2.5 所示,当系统处在平衡状态时由 d A3向 d A4发射的辐射光通量 dφ34与由 d A4向d A3发射的辐通量 d43相等。则存在等式:
34=dφ43,同时根据公式 2-3 和公式2-13 可知:

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其中L3*为光线由 d A3向 d A4出射时处在 d A3的基本辐亮度;L4*为光线d A4 向 d A3出射时处在 d A4的基本辐亮度。

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还有一种情况,如图 2.6 所示,d A3表示一个在温度为 T 时向折射率为n 的空间出射光的黑体。

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在 d A4和 d A5之间存在一光学器件 Op,它的作用是把从 d A3接收的光线投射到 d A5。因为 d A5也是一个黑体,其温度是 T5,因此 d A5的温度 T5取决于它与光源 d A3的辐射交换。由于本身不是绝对零度,d A5也会向外发射光线,因此可以看作 d A4和 d A5之间的光学器件同时也将该光线向 d3处投射。

根据热力学第二定律,存在等式:d A5=d A3。公式 2-10 给出了温度和基本辐射亮度之间的关系,并且该公式同样规定了 d A5处的最大基本辐亮度 L5*。当 T5=T3 时,可得等式:L5*=L3*。由前面描述根据公式2-14 有:

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图 2.7 中表明的是第四种情况,黑体 d A1的温度是 T1,它处在折射率为 n2的材料中,它发出的光线在介质中传播后被面积 d A2接收,该介质折射率为 n2。通过光学器件后,光线在 d A3和 d A4之间折射率为 n3的介质中传播,并在通过 d A4后,被光学器件 Op投射到 d5上。

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根据第二种情况可以知道:L1*=L2*。根据热力学第二定律可知黑体d A5 具有一个最大温度是:d A5=d A1。于是有 L1*=L*,根据公式2-15 可知:

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因此整个系统中的基本辐射亮度为恒定值。

平衡时,d A1向 d A2发射的辐射通量 dφ12与 d A2向 d A1发射的辐射通量 dφ21相同,即 dφ12=dφ21。d A2和d A3间光学器件在 d A2处接收到来自 d A1的辐射通量 dφ12为 dφ12=L2*d U21。同样的,穿过 d A3射向 d A4的光通量为 dφ34=L3*d U34。若光通量恒定即 dφ12=dφ34而基本辐亮度同样为恒定(即 L2*=L3*),由此推出光学扩展量守恒,现在有:

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该等式表明了入射光线与出射光线的光学扩展量不变。依据光学扩展量守恒将辐射由光源传输至接收器属于非成像光学中的经典应用。前面的推断可以道,光学扩展量守恒是非成像光学领域的一个重要的核心概念。前面的推导过程根据热力学的观点给出了光学扩展量的守恒定律。

2.2  照明的相关概念
2.2.1  辐射量与光学量
要想进行照明设计,首先需要明白与照明有关的几个基本概念,由于可见光是波长在3.8*10-7至7.6*10-7m 范围内的电磁辐射,因此可以用辐射量来描述可见光;可见光是一种电磁辐射,这种辐射能够对人的视觉产生刺激并且被人感受到,因此人们常用视觉感受到的刺激程度来描述可见光。按照这种视觉响应原则建立的表征可见光的量被称为光学量。因此可见光可以用不同的量值系统进行度量,分别是辐射量和光学量,当从纯物理角度研究可见光时,采用辐射量量值系统;当由人体视觉进行观察时,采用光学量值系统。

下面首先介绍一下各种辐射量和光学量的基本概念及其单位,其次介绍一下两种量值系统间的关系。

辐射量主要包括辐射能 Qe(单位焦耳),辐通量 φe(表达式为 φe=d Qe/dt,单位为瓦特),辐射出射度 Me(表达式为 Me=dφe/d A,单位为瓦特每平方米),辐射照度 Ee(表达式为 Ee= dφe/d A,单位为瓦特每平方米),辐[射]强度 Ie(表达式为 Ie= dφe/dΩ ,单位为瓦特每球面度),辐射亮度 Le(表达式为 Le=dφe /(cosθ d AdΩ),单位为瓦特每球面度平方米)。

前面说的六种辐射量均为纯物理量,对所有的光辐射问题都是适用的。但对于可见光更多的使用光学量来度量,下面就具体讲一下常用的光学量概念及单位。

光学量主要包括光通量 φv(单位为流明),光出射度Mv(表达式为Mv=dφv/d A,单位为流明每平方米),光照度 Ev(表达式为 Ev= dφv/d A,单位为勒克斯),发光强度 Iv(表达式为 Iv= dφv/dΩ ,单位为坎德拉),光亮度 Lv(表达式为 Lv=dφv /(cosθ d AdΩ ,单位为坎德拉每平方米)。

下面简要介绍一下光学量与辐射量之间的关系。首先介绍一个概念:光谱光效率函数。就本质而言我们可以把人眼看做一种探测器,人的视觉特性主要取决于辐射量和光学量间的关系。通过实验表明当波长不同但辐通量相同的光分别作用于人眼时人们感知到的光不同,因此定义光谱光效率函数为人眼对不同波长光响应的灵敏度。试验表明观察场的环境亮度会影响到光谱光效率函数的值。因此根据环境亮度定义两种光谱光效率函数 V(λ)和 V’(λ),分别表示在环境亮度是明视觉条件和暗视觉条件。图 2.8 给出了 V(λ)和 V’(λ)的函数曲线。根据图 2.8 可以看出 V(λ)和 V’(λ)两者在峰值位置时对应的波长并不相同,图中 V(λ)的峰值在λ=5.55*10-7m 处,但 V’(λ)的峰值是在 λ=5.07*10-7m处。

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下面说一下辐射量与光学量间的关系。在波长λ周围的间隔dλ内,光通量dφv(λ)和辐通量φe (λ)之间的关系如以下两式分别进行表示:

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在整个可见光的光谱范围内,即当光波长范围从 380nm 到 700nm 时,总光通量 φv根据前面两式分别可以表达为:

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2.2.2 照明设计的基本步骤
在一般的基于 LED 的照明设计中首先需要搞清楚,这个 LED 是用来作光源还是将其附加在已有光源的灯具上,若直接用作光源则设计的可塑性会很强,给了设计师很大的发挥空间;若是附加在已有灯具上,则设计更为简单方便。在针对具体情况时选择采用合适的方案。照明设计的基本步骤如下:

1.  明确照明目的
要着手设计前首先需要明白这个照明设计是用于什么场合,有无特殊要求对于普通路灯设计或车灯设计,其照明有明确的规范,因此照明设计满足规范即可,若用户有特殊要求,则依据客户的要求进行照明设计,以满足客户需求。

2.  确定LED 光源
根据照明的要求来确定 LED 的类型,除了考虑要求达到的目标照度外,还需考虑LED 自身的功率、温度、工作环境等因素,除此之外另一个重要的考虑因素就是成本。

3.  估计系统的效率
整体系统的各项因素如电气效率、发光热量、效
光照亮度等都会对系统率产生影响,因此在设计前估算系统整体效率时需要考虑这些影响因素。

4.  计算所需LED个数
前面的步骤便可确定出目标照明所需的流明数,所需的实际流明=目标流明/(光学效率×热效率)。前面提到的电气效率对系统的限制作用只影响其总耗,但与光通量无关,因此只需考虑光学和热效率。

5.  选择最优设计
任何一个设计师都不会只提供一种设计方案,需要根据实际情况选择其中最优的一个,由于 LED具有体积小重量轻的特点,因此在设计中具有很高的灵活性,方便设计师充分进行发挥。

6.  检验设计结果
根据选择的设计方案,搭建光学模拟平台,通过光学设计软件进行实际照明效果的模拟,若发现问题可及时进行更改。

2.3 自由曲面路灯透镜
2.3.1  自由曲面路灯透镜的主要类型及优缺点
现阶段国内外用于道路照明的 LED 透镜主要采用自由曲面透镜的结构形式,可分为“花生壳”透镜和 TITotal Internal Reflection)透镜两种类型。

1.  “花生壳”透镜
目前,满足蝙蝠翼光强度分布曲线的二次配光透镜多采用“花生壳”(如图2.9 所示)的结构形式。“花生壳”透镜的前表面具有自由曲面特性,在 C=0°和C=90°方向具有不同的截面特性,对光的效应主要基于折射原理。在 C=0°方向呈中心凹、两侧凸的特征,相当于中心区域为负透镜,对中心 LED 灯下点主极大光强具有减弱的效应,而两侧特别是在 60°方向,透镜具有最强光焦度正透镜的效应,对两侧衰弱的光强具有加强作用,经过优化设计后,可形成较为均匀的光强在 C=90方向,透镜呈聚光效应,并具有偏心特征,以便将有效的光输出集中在侧前方。

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“花生壳”透镜能很好满足道路照明的设计要求,现阶段的 LED 道路照明也大多数采用这种结构形式,包括国外 CREE 公司、欧司朗公司的大量 LED 路灯都可见这种类型的透镜。然而不足之处在于,花生壳透镜的透镜内腔过于狭小,透镜材料厚处可达 4mm 左右,和LED 封装在一起后LED 前方没有足够的散热空间。相比较国外 CREE 公司、欧司朗等由于 LED 材料特性好,发热率远远小于国内生产的 LED,因此,前方散热问题并不突出,路灯长时间工作仍然可以保证比较高的发光效率。然而国内的 LED 虽然价格便宜,成本较低,但发热量大,如果前方空间散热特性不好,初始使用时,由于 LED 结温度较高,反而可以获更大的光通量 ,但可靠性和寿命却因此大幅降低,工作一段时间后,光效衰减非常大。

2. TIR 透镜
TIR 自由曲面透镜是能最大限度地收集 LED出射光并把它们分配到特定域的一个很好的解决方案。自由曲面可以被设计用来重新分配光强以形成一个蝙蝠翼的光强分布。

图 2.10 展示了 TIR 透镜的 3D 模型。透镜由四部分组成:嵌入式折射部分、两边的 TIR 部分、两个末端的 TIR 部分和顶部形状为“W”的自由曲面部分。为了形成在 X 方向(沿着马路方向)光束角为 120°,和 Y 方向(垂直于马路方向)光束角为 60°的矩形光,其光学设计依照“边缘光线法则”,也就是说,在X 方向,出射光边缘光线角度为±60°,所有光线都分布在此角度内;在 Y 方向,出射光边缘光线角度为±30°。

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透镜设计原则如图 2.11 所示,沿着 Y 方向的横截面,其光分布如图 2.11 左边所示。从朗伯光源 LED 出射光的中心部分被嵌入式非球面圆柱表面折射,在经过顶部出射后这一部分光束会形成一个±30°的出射角。从 LED 出射光的一边部分被嵌入式一边的表面折射,并被外部 TIR 表面反射。光束反射角从底部到顶部被逐渐改变。在经过顶部表面出射后,这一部分出射光束同样形成±30°的辐射角。沿着经度横截面,光分布如图 2.11 右边所示。嵌入式非球面圆柱透镜覆盖了 LED出射光中心光束角度为±76°的光束,透镜顶部为“W”形状,它重新分配了出射光以便形成一个发散角度为±60°的蝙蝠翼分布。在透镜的两个末端,TIR 透镜收集并重新分配了剩余出射角度为±76°到 90°的出射光,经过 TIR 表面的反射和顶部投射,这些光束出射角为±30°,两部分光束重叠在一起,在经线方向形成发散角为±60°的蝙蝠翼分布。

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TIR 透镜虽能达到夜间路面照明要求,但仍存在透镜尺寸较大,厚度较大等问题,其光照均匀性也不如花生壳透镜。

2.3.2 自由曲面透镜的设计方法介绍
现有的自由曲面照明设计方法主要有试错法、数学设计法及优化设计法。自由曲面设计方法的中心思想是根据光源的发光特性和目标照明面的具体要求进行设计,其理论基础是依据 Snell 定理和能量守恒定律来列出表达自由曲面面型的偏微分方程,并通过求解相应的偏微分方程来取得自由曲面的面型数据。

2000 年,W. Tai 等人于提出了  ODE 方法,依据该方法成功的实现了在特定区域的均匀圆形光斑照明,如图 2.12 所示。图 2.13 表示该方法在目标照明面上照明的三维照度分布图。在使用 ODE 方法进行设计时,将光源看作点光源,并根据光源的出光效果和圆形光斑的照度要求直接列出偏微分方程进行求解,其优点在于设计效率相比于传统的试错法有了本质提高,并且设计出的自由曲面是连续的,而不是一小片一小片分散开来的,因此更加便于加工,但缺点是只能设计轴对称结构的照明问题。

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SMS 方法最大的优势是可以对多个表面进行同时设计,称为同步多曲面设计法,该方法的理论基础是基于边缘光线理论进行设计。相比于一般的设计方法,SMS 方法最大的优势就是可以考虑光源的尺寸,这样设计出来的照明结果不会与理论预期的存在太大偏差。其设计过程如图 2.14 所示。

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但 SMS 方法仅适用于照明要求为对称型照明,若目标照明面要求非对称型照明,利用该方法建立方程的过程极其繁琐,且建立的方程也过于复杂,因此ODE 方法一样,也仅适用于轴对称形式的照明问题。

数学设计方法是直接列出满足要求的方程,通过构建偏微分方程并解出相应的自由曲面面型数据,可以直接得到所需要的自由曲面,不必进行不断地试错来改进,大大提高了设计效率。自由曲面设计最关键的部分就是根据已知条件建立出射光线与目标照明面之间的映射关系。为了让设计过程更加简单,L.Wang等人在前面研究的基础上进行了更深入的分析,提出了一种基于变量可分离映射关系的自由曲面设计方法,其主要思想是根据光源的特性和目标照明面的照度分布要求,按照一定的规律对其分别进行划分,对于划分的小块区域建立对应的关系,这种关系将变量进行离散化,由此关系可以计算出每一条出射光线在目标明面上对应的一点,根据 Snell 定律对表面进行依次迭代,由此列出相应的偏微分方程,求出所对应的自由曲面面型数据。

自由曲面优化设计方法是采用合适的优化算法去减小评价函数的值,其重要的中心就是对自由曲面进行参数化,以便选取合适的优化变量。

2.4 本章小结
本章主要表述了自由曲面设计的相关理论。首先详细介绍了能量收集比和光学扩展量等非成像光学的主要概念;其次,介绍了照明的相关概念,详细阐述了辐射量与光学量的概念与二者之间的关系,简述了进行照明设计的基本步骤;再次,基于自由曲面路灯透镜的设计分别详细介绍了自由曲面路灯透镜的主要类型及优缺点;最后,详细介绍了目前常用的自由曲面透镜的设计方法介绍。本章介绍的关于自由曲面路灯透镜的基本设计理论对后文进行渐变菲涅尔路灯透镜设计提供了理论支持。

第三章  自由曲面路灯透镜设计
3.1 自由曲面透镜设计方法
本文采用的是基于变量可分离映射关系的自由曲面设计方法,本文采用的自由曲面面型的求解方法操作简单,无需进一步优化。在列出偏微分方程时,需要根据 LED 光源的特性和目标照明面的照度要求,依据 Snell 定理和能量守恒定律来列出,在得到表达自由曲面面型的一阶偏微分方程后,利用 Matlab 进行求解,再通过 3D 建模软件构建自由曲面。

3.1.1 坐标系的选取
本章的设计采用的光源为 LED,它的光分布呈朗伯型(Lambertian),其光强分布式如下:

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式中 I0为  LED  沿轴线方向的光强,θ 为出光方向与轴线之间的夹角。由于 LED 体积很小,为计算方便将其看作点光源,在距离为h 的屏幕上的照度分布式如下:

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由式(3-2)可知,照度分布与夹角θ余弦的四次方成正比,由此推出中心光照最强,越偏离中心光照衰减越强,单个 LED 照射模拟图如图 3.1 所示。因此,在实际设计中需对其光分布进行合理分配以最大限度利用 LED 出射光且不造成光污染。本设计中的自由曲面透镜具有两个面,其中内表面为半球形,将 LED放在该半球的球心处则内表面对出射光无影响,因此仅需考虑外表面,即自由曲面。在设计时将 LED 看作点光源,位于坐标原点,目标照明面为 10*40m 的矩形,建立如图 3.2 所示坐标系。

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LED 为朗伯型光源,光强为余弦分布,则沿着光线 i 的光强为 I0cosθsinφ,其中 I0为中心光强。

目标照明面为矩形,设其长为 a,宽为 b,与 LED 光源的距离为 h0对于目标照明面,建立直角坐标系,坐标中心位于矩形中,如图 3.3 所示。设 LED  光源的总光通量为 ϕ,目标照明面的平均照度为 Ev,由于所要求的目标照明面需要达到均匀照明,因此其平均照度值为一常数而非变量。中心光强为 I0=ϕ/π 。设 k为一标准长度,把长 a 用 k 等分为 m 份,把宽 b 用 k 等分为 n 份,由此就得到了 x(m)和 y(n)两个数组,相应的目标照明区域也就被划分成了 nm 个等面积的正方形网格,对应于目标照明区域的划分,LED 光源空间坐标系中,将 θ 角等分成m 份,φ 等分成 n 份。

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根据边缘光线原理和能量守恒定律,将划分后的自由曲面上的网格与目标照明面上的网格形成一一对应的映射关系(对应关系如图 3.4 所示),依照此对应关系求出自由曲面上每一点的法向矢量,最后利用切面迭代关系求出反映自由曲面面型的数据组。在得到这些数据组后,  利用前面提到的 B 样条曲面的建模方法在Solidworks 中对自由曲面进行建模。

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根据上述分析,要想确定所需自由曲面的面型,关键是建立起自由曲面上网格与目标照明面上网格之间的映射关系,由此求出自由曲面上网格节点的切向矢量。

3.1.2 能量守恒与 snell 定律
自由曲面偏微分方程的建立需要依据能量守恒定律与 Snell 定律,在这里对这两个定律进行简要介绍。

1.  能量守恒定律
假设光线在经过自由曲面后没有发生能量损失,根据能量守恒定律,令光源发射的能量等于目标照明面接收的能量。将光源发光角度设为 φ1,LED 位于透镜内表面的球心处,同时也将该点看作坐标系原点,根据自由曲面上的球坐标(θ,φ,r),可以看出 φ=φ1,设光源在(θ,φ)上的光强为 I(θ,φ),光源的辐通量如下式所示:

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式中 dΩ 为相对于光源的单位立体角,如图 3.5所示,Ω 的表达方式如下式表示:

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将公式(3-4)代入公式(3-3),则θ、φ 与目标照明面上各点之间的关系可表示为:

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其中 E(t)为点 t 处的照度,A为目标照明面面积,在本文中由于目标照明面为均匀照明,照度平均值取常数 EV。

2. Snell 定律
斯涅尔定律(Snell's Law)就是光的折射定律,因荷兰物理学家威理博·斯涅尔最早发现而命名,其表达式为(如图 3.6 所示):

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其中,n1和 n2表示光经过的不同介质的折射率,θ1和 θ2分别是入射光(或折射光)与界面法线的夹角,分别称为入射角和折射角。在本文中,n2为空气折射率,取值为 。Snell 定律写成向量形式为:

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在设计中,在初始光线的传播路径上选择一点 S 作为自由曲面的起始点,在被照面上选择与 S 对应的点 P,则出射光线 O=P-S。根据已知的 O 和 I 便可求该点相应的法向矢量 N。

3.2 透镜模型的建立及光学仿真
在构建自由曲面之前,根据已知的光源参数和目标照明面的照度要求,分别对光源和目标照明面进行能量网格划分,通过求解光源光线之间的横向步长Δθ1,Δθ2,…,Δθm和纵向步长Δφ1,Δφ2,…,Δφn,根据能量守恒定律建立从光源出射的光线照射到目标照明面上所对应的一点之间的映射关系,再根据Snell 定理进行曲面迭代计算出透镜表面的所有数据点及其法向量矢量,从而确定出一个透镜的表面。

首先计算划分网格后,目标照明面上 X 轴方向每个矩形条所对应的能量E(ΔX)表达式为:

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光源 LED在∆θ1的辐射角内能量为:

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根据能量守恒定律,E(ΔX)=E(Δθ1),则有:

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令θ10+Δθ1,X1=X0+ΔX,从而获得一条光线与照度平面上的一个点的能量对应关系,再依照上述公式,依次迭代计算出Δθ2,Δθ3,…,Δθm以及θ2,θ3,…,θm。从而使光源光线到照度平面上的点形成一个能量纵向对应关系 θ(φ0)=f(xy0)。

以前面求得的点为初始点,建立 m+1个出射光线与目标照明面上相对应的一点在能量上的对应关系,以此可以求得光源的出射光线之间所划分的间隔Δφ1,Δφ2,…,Δφn

从上述纵向对应关系θ(φ0)=f(xy0)中取初始点(x0,y0)和初始步长Δy ,则在(ΔX,ΔY)范围内具有的能量的大小为:

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根据能量守恒定律:

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令φ10+Δφ1,y1=y0+Δy,从而获得一条光线与照度平面上的一个点的能量对应关系,再依照上述公式,依次迭代计算出Δφ2,Δφ3,…,Δφn和φ2,φ3,…,φn。到此为止可以得出光源的出射光线与目标照明面上相对应的一点的能量对应纵向关系为φ(θ0)=g0yx0)。

按照上述步骤,通过不断地循环迭代,即可建立起完整的光源出射的光线与目标照明面上所对应的点之间的映射关系,即(θm,φn)→(Xm,Yn)。

在对应关系确定后进行自由曲面的迭代计算,首先确定透镜的一条起始光线,该光线通过自由曲面折射到目标照明面上,在其传播路径上选择一个初始点S00,这一点的坐标选择可以决定整个自由曲面的大小。利用 Snell 定律求出该点的法向量,那么该点的切平面也就可以由此确定,再取一条从原点出射的光线,过 S00点做和法线垂直的辅助线。该辅助线与第二条出射光线相交,称交点为过渡点,经过渡点,再做与第二条法线垂直的线段,交点处为第二轮廓点,依次,求出各轮廓点。图  3.7 即为由计算的点构成的四分之一透镜表面在 Matlab 中绘出的图像。

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3.2.1 传统的建模方法及仿真结果
设计高度为10 m,实现40 m*10 m  矩形区域均匀照明的LED  照明透镜,将面型数据导入到机械仿真软件Solid Works  中,通过曲线放样、曲面缝合以及镜像等步骤,拟合出透镜实体,如图3.8所示。

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将设计好的透镜实体导入光学仿真软件Lighttools中进行仿真,设定透镜材料为PMMA,其折射率为1.49,建立的LED  光源模型为半径0.5mm高度0.1mm的理想朗伯型光源,光通量设置为10wtts,同时设置好接收面的属性,追迹50  万条光线,照明模拟结果如图3.9所示,接收面的照度分布图以及光强分布图,分别如图3.10、图3.11所示。

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照度均匀度的公式是U=Emin/Emax,该等式表示在照度曲线图中的最小照度与最大照度的比值,比值越大说明照度均匀性越好,道路照明最主要看沿着道路方向的照度均匀度,因此选择沿X轴方向的照度曲线进行计算,图3.10表X方向上照度均匀性为84%,符合国家道路照明标准,因此对司机不会形成眩光效应。

3.2.2 利用 Scheme 语言快速建模法及仿真结果
Scheme 是一种函数式编程语言,是Lisp 的两种主要方言之一(另一种为Common Lisp)。与 Common Lisp 不同的是,Scheme 遵循极简主义哲学,以一个小型语言核心作为标准,加上各种强力语言工具(语法糖)来扩展语言本身。过去设计自由曲面透镜的方法是首先建立偏微分方程得到自由曲面面型数据,将这些数据导入 3D 建模软件中进行实体建模,最后将建立的模型导入光学仿真软件中进行光线追迹。这样多软件联合设计的过程相当之繁琐,且由于软件间存在不兼容现象,使得建好的模型在由 3D 建模软件导入光学仿真软件后会出现微小形变或产生裂痕,从而影响仿真结果的准确性。为了解决上述问题,本文在已知自由曲面面型数据的基础上,提出了一种利用 Scheme 语言直接在光学仿真软件中快速建模的方法。通过编写 Scheme 语言程序在几十秒内即可得到设计要求的自由曲面透镜,大大提高了设计效率。仿真结果显示,相比于传统设计方法得到的透镜,快速建模得到的透镜光照均匀度可达接近 90%。

在得到四分之一自由曲面透镜表面轮廓线坐标后,编写产生轮廓线的 Scheme程序,采用 define 函数定义一条轮廓线,用 list 函数列出求得的一条轮廓线的坐标组。这样便定义出一条完整的轮廓线。采用同样的方法列出若干条轮廓线,数量越多则得到的自由曲面透镜表面越光滑,进而仿真准确度越高。

在定义若干条轮廓线后,再采用 define 函数定义一个透镜实体。由于得到的轮廓线为透镜的四分之一,需要采用 transform 函数和 rotation 函数对这些轮廓线进行旋转变换以形成一个完整实体,在 tracepro 的宏语言编辑器中输入快速建模程序,在十几秒时间内可直接生成一透镜实体,如图 3.12 所示。在坐标原点处导入与前一节相同的 LED 光源,模拟 50 万条光线进行仿真,照明模拟结果如图 3.13所示,接收面的照度分布图以及光强分布图,分别如图 3.14、图 3.15 所示。

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由图 3.13 可以看出,快速建模透镜由于在光学仿真软件中直接生成,避免了模型从 3D 建模软件导入光学仿真软件时可能产生的微小形变,使得光照均匀度也由此提高,同时建模时间短,仅为几十秒,且不再使用 3D 建模软件进行建模,可以大大提高自由曲面透镜设计效率。

3.3 本章小结
本章完成了实现均匀矩形照明的自由曲面路灯透镜的设计和建模,最后对其光照效果进行了仿真分析。首先在确定了本文所要用到的自由曲面的设计方法,即网格法,其次,根据光源及照明面的要求列出了反映自由曲面的偏微分方程,利用 Matlab 解出该偏微分方程的数据,并创新性的提出采用 Scheme 语言在Tracepro 中直接快速建模的方法,比较了传统建模方法与 Scheme 语言快速建模方法所建模型的出光效果和光照均匀度等参数,表明设计的自由曲面透镜具有良好的光照均匀度,满足道路照明要求,且 Scheme 语言快速建模避免了模型从 3D建模软件导入光学仿真软件时可能产生的微小形变,使得光照均匀度也由此提高,同时建模时间短,仅为几十秒,且不再使用 3D 建模软件进行建模,可以大大提高自由曲面透镜设计效率。

第四章  菲涅尔透镜的理论基础
4.1 菲涅尔透镜的简介及分类
4.1.1  菲涅尔透镜简介及其发展历程
菲涅尔透镜的设计原理是在加工时不再将透镜看作一个整体,而是看作由许多微结构组成的一个实体,这些微结构保留了原凸透镜的曲率半径,而去除了中间对光线偏折不起作用或影响很小的部分。菲涅尔透镜的设计过程如图  4.1 所示,图  4.2  是一种平面菲涅尔透镜的实物图。

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早期由于材料的限制,透镜都由玻璃制成,菲涅尔透镜也不例外,但若采用传统的研磨抛光法来加工菲涅尔透镜,不仅耗时很长,且相当耗费人力,因而使得成本过高。后来人们发明了金属模具热压的加工方式,但玻璃的表面应力过大,会导致在热压时一些细节部分无法压制出来,从而使菲涅尔透镜达不到预期的使用效果,这些原因使得早期的菲涅尔透镜无法被推广。从 1950 年左右开始,一种新型材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)因其具有与玻璃十分相似的光学特性,且重量更轻的优势,被广泛用在透镜制作上。1951  年,Miller  等人采用 PMMA成功的制作出了菲涅尔透镜,由于 PMMA 成本低,且性质稳定,因此从那之后人们开始用其替代玻璃来制作菲涅尔透镜。随着科技的进步,透镜加工工艺不断进步,菲涅尔透镜的光学性能也越来越好,逐渐被众多领域所重视。由于菲涅尔透镜具有厚度薄、质量小、成本低、聚光效果好等优点使很多领域都开始关注菲涅尔透镜的应用,其中太阳能聚光光伏产业已经将菲涅尔透镜投入使用,随着科技的发展,科技人员还在对菲涅尔透镜的聚光性能进行进一步的研究与实验,也取得了很多可喜的成果。

1970 年起美国国家航空航天局开始对菲涅尔透镜进行详细的研究,取得的很多研究成果对以后的科学家在菲涅尔透镜研究的道路上起到了指路标的作用。在 1979  年  Kritchman 研制出了高倍聚光曲面线聚焦菲涅尔透镜,该透镜最大的优势是在聚光性能上有了质的飞跃。2006 年韩国人 Kwang sun Ryu  提出将菲涅尔透镜的表面划分为细小模块的设计方法,该方法采用软件将菲涅尔透镜的细小模块进行处理,以便使入射太阳光能够均匀的照射在硅光电池上,解决了以往太阳能光线容易集中在一小块地方而烧毁电池的问题。后来美国人 Daniel 对 Kwang sun  Ryu 的菲涅尔透镜进行深入分析,设计出一款多点聚焦型菲涅尔透镜,光照均匀度比之前更加高。该款透镜对传统菲涅尔透镜的螺纹进行了优化,把原来的单点聚焦模式改为多点聚焦,从而使得菲涅尔透镜的聚焦光斑不再局限在某一个位置,光照均匀度由此提高。

在国内,九十年代初期陕西省物理研究所的郭孝武提出了综合性菲涅尔透镜的统一设计方法,为后来的学者研究菲涅尔透镜起到了指导作用。2002 年贾付云在柱面线聚焦菲涅尔透镜的研究中发现当 F 数处在 1.3 左右,聚光比在 5 或6 时其光学效率可以达到 85%以上。2007 年李维谦设计出一种摒弃了传统的同心圆环结构而采用阿基米德螺线型沟槽的菲涅尔透镜,这种透镜虽与同心圆式菲涅尔透镜在应用上无本质差异,但为菲涅尔透镜开创了一种新的结构形式。2009 年姚叙红通过研究发现菲涅尔透镜的聚光效率与入射光强度成正比,同时由于菲涅尔透镜表面存在一定的光反射,因此其透光率与入射光的角度成反比。2011 年赵会富分别在室内、外对菲涅尔透镜的性能进行了研究,结果表明其透光率在室内外测试误差不变,但聚光效率的测试误差是室内测试比室外测试低,并分析了产生这种差异的原因,为以后人们在菲涅尔透镜的测试加工中提供了参考。

4.1.2  菲涅尔透镜的主要分类
菲涅尔透镜因其独有的优势越发的引起各界人士关注,随着研究的深入其种类也日渐丰富,目前最主要的类型有点聚焦菲涅尔透镜(如图 4.3a 所示)和线聚焦菲涅尔透镜(如图 4.3b 所示),其主要区别就是聚光方式的不同。多点聚焦型菲涅尔透镜(即线聚焦菲涅尔透镜)可以有效提高光斑的均匀度,其汇聚光不止局限在一点。

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根据菲涅尔透镜形状的不同还可以分为平面菲涅尔透镜(如图 4.3a 所示)和曲面菲涅尔透镜(如图 4.3c 所示)。这两种透镜的主要区别是曲面型的聚光效率高于平面型,但由于平面型菲涅尔透镜加工简单、占用空间小,因此应用更为广泛。

从设计方法角度来分,可分为正菲涅尔透镜(如图 4.4a 所示)和负菲涅尔透镜(如图 4.4b 所示)。正菲涅尔透镜的光线从一侧进入,若为平行光入射则在另一侧聚焦,若为会聚光入射则在另一侧成平行光出射出去。经常将这类菲涅尔透镜用在准直镜或聚光镜上。负菲涅尔透镜和正焦菲涅尔透镜刚好相反,其焦距为负,即若由平行光入射,其汇聚点与入射光线在透镜的同一侧,因此常对其涂层后作为反射面使用。

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4.2  菲涅尔透镜的设计
将普通平凸透镜变为菲涅尔透镜后厚度明显变薄,透光率高,且成本也有所降低,但仅适用于平行光入射,因为这样不会对光路产生影响。但如果入射光源是 LED,将平凸透镜变为菲涅尔透镜后原本的光路就会改变,会在棱角处发生光的散射。

为解决平面菲涅尔透镜不能很好地工作于 LED 光源的问题,本文提出两种针对单个 LED 光源设计的菲涅尔透镜,这两种方法还可用于其它非平行光入射时的设计问题,下面分别对这两种设计方法进行详细的介绍,并提出其优缺点与改进方法。

1. 分角度法
初始透镜为平凸透镜,光从平面一侧入射(如图 4.5 所示)。令点光源位于O 点。将突起的一面按照点 O 所张开的角度进行划分,图中 AB 就是其中的一个小段。不同于传统的菲涅尔透镜设计方法将其直接沉降到透镜平的一面上,而是让 AB 沿划分好的光线方向向下移动并缩放到 A'B'。由于 AB 与 A'B' 在光的传播方向上的位置并未改变,且曲率也没有做任何变动,因此对实际照明上不会产生任何影响。这种方法在角度划分上也比较随意,无论平均划分还是不平均划分都不会对最后的照明结果有影响,且划分的份数只对透镜厚度有影响,划分份数越多透镜越薄,但不要划分的过细。

此方法虽然可以实现将菲涅尔透镜用在点光源照明的模型中,但从图 4.5 中可以看出来其边缘厚度和中心厚度是不一样的,在实际使用时若不加小心透镜可能会从中间断裂,因此对使用环境有一定的限制。为了确保菲涅尔透镜厚度均衡且还能实现点光源照明时消去杂散光,我们提出另一种设计方法。

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2 .分厚度法
本方法中用到的原始透镜与前面的分角度法是相同的,不同之处就在于在进行角度划分前首先将透镜厚度进行均匀划分(如图 4.6 中的虚线所示),划分结束后再对角度进行划分,接着采用前面的分角度法将原始的面按比例缩放到较薄的平面上。

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采用分厚度法不仅可以消除照明中的杂散光,还可以保证所设计出的菲涅尔透镜厚度不改变,可以用在不同的环境中。此方法还可以推广到不同形状的菲涅尔透镜的设计中去。

4.3  菲涅尔透镜的应用
菲涅尔透镜因其独有的优势在很多领域中都可以使用,以下是几个常见的应用领域:
1、投影显示
将菲涅尔透镜用在投影中可以准直且聚焦光线,从而提高系统均匀度,消除光斑。一般情况下菲涅尔透镜并不单独使用(如图 4.7 所示)。

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投影系统使用菲涅尔透镜能够提升屏幕亮度,若无菲涅尔透镜的准直作用,就会出现明显的热斑效应,屏幕亮度也会随之降低。图 4.8 表明了系统中有菲涅尔透镜和无菲涅尔透镜时屏幕的亮度变化。

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2、太阳能菲涅尔透镜
将菲涅尔透镜应用在太阳能聚光系统中的主要原因是菲涅尔透镜可以将大面积接收到的太阳光聚焦在一个很小的面积上,将菲涅尔透镜与太阳能聚光系统联合使用仅需面积很小的电池片,因而大大节约成本(如图 4.9 所示)。应用在太阳能聚光系统中的菲涅尔透镜采用的是齿面向内型,这种类型的好处是可以减少太阳辐射对棱角的冲击,同时齿面朝内也可避免在阶梯处积攒灰尘。

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由于这种菲涅尔透镜的主要作用是聚焦,因此属于非成像应用的范畴,无需考虑球差等因素。

3、科研系统用菲涅尔透镜
科研系统中常常使用菲涅耳透镜进行一些相关的光学实验和测试。

4、航海照明
最初菲涅尔透镜就是用于灯塔,其透光率很高,且厚度薄重量轻,很适合用于灯塔上进行航海照明(如图 4.10 所示)。

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5、菲涅尔放大镜
菲涅尔放大镜的原理是在其表面的旋涡状条纹中包含很多凸透镜,让光线穿过时产生衍射现象从而放大图像。且菲涅尔透镜制造的放大镜为平面结构,因而可以做成面积较大的放大镜,且其厚度比传统放大镜要薄很多,因此透光率也会显著提高,从而使得画面清晰,同时由于用料变少,其重量也会减轻。图 4.11 为菲涅尔放大镜用于老人读书的典型案例。

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6、用于照明:菲涅尔透镜准直器
菲涅尔透镜能够很好地将 LED 输出的光校准成平行光,在这个应用中只要将透镜与 LED 之间的距离选择恰当就可以实现较好的校准功能。而对于传统的白炽灯,由于其发光产热严重,使得目前最普遍的塑料制成的透镜无法在较近的距离工作,因而无法对其出光进行准直。但 LED  由于其热量可以传导,因此可以与塑料透镜配合使用。

4.4 本章小结
本章详细介绍了菲涅尔透镜的相关知识。首先分析了菲涅尔透镜的构成过程及其结构,介绍了菲涅尔透镜多年来的发展历程,又从不同的分类角度介绍了不同类型的菲涅尔透镜。其次介绍了菲涅尔透镜的设计方法,从应用于 LED 照明的角度详细介绍了分角度法和分厚度法,为之后进行自由曲面渐变菲涅尔透镜设计奠定基础。最后对菲涅尔透镜在不同领域的应用进行了逐一介绍。

第五章  用于 LED 道路照明的渐变菲涅尔透镜设计
5.1 渐变菲涅尔透镜设计
5.1.1  渐变菲涅尔透镜设计结果
本论文在第三章介绍了产生均匀矩形照明的自由曲面路灯透镜的设计思路,建模方法及仿真结果,在第四章介绍了菲涅尔透镜的相关知识以及针对 LED 光源的菲涅尔透镜设计方法,但目前的菲涅尔透镜均为平板型或建立在球面基础上的曲面型菲涅尔透镜,尚未有建立在自由曲面基础上的菲涅尔透镜,本章将把自由曲面透镜与菲涅尔透镜相结合,构建出可产生均匀矩形照明的自由曲面菲涅尔路灯透镜,由于自由曲面菲涅尔透镜的面型不是规律的同心圆型,又称其为渐变菲涅尔透镜。

渐变菲涅尔透镜设计思路:根据第三章的设计方法,设计出若干出光效果相同但大小不同的自由曲面透镜的面型数据,在 Solidworks 中将相邻大小的四分之一自由曲面透镜面型数据导入(如图 5.1a 所示,为观察方便,此处将显示方式改为线架图),再借鉴第四章介绍的分厚度法,对自由曲面进行等厚度切割,但由于自由曲面面型特殊,无法直接使用第四章介绍的等厚度法进行分割,因此只是借鉴其思想,本文所采用的切割方法的思路是:首先按照给定的光源出光特征和目标照明面照度要求进行透镜设计,设计出十个出光效果相同但大小不同的自由曲面透镜,但这个大小也不是随便设定,而是每一个透镜与其大小相邻的透镜设置确定大小的初始点时给定的值相差 0.5mm,由于每一个自由曲面透镜都是按照相同的出光要求和照度分布进行设计的,因此将它们分别使用时都可以实现相同的照度要求,所以叠加后再切割最终出光效果不会有大的改变(如图 5.1b 所示),首先导入最大的自由曲面透镜的四分之一数据,将其拟合成一个曲面,再导入大小与其相邻的第二个透镜数据,同样拟合为曲面,其轮廓图如图 5.1(a)所示,通过对透镜的长度和宽度进行分析,在切割时对其长边按照 1.5mm,宽边按照 0.4mm进行第一次切割,切割后透镜形状如图 5.1(b)所示,通过曲面缝合使其成为一个整体,再采用相同的方法对之后的 8 个自由曲面透镜依次导入后切割,最终形成菲涅尔面型(如图 5.1c 所示),切割后通过镜像,曲面缝合等步骤,拟合成一个完整的渐变菲涅尔透镜(如图
5.1d 所示)。

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5.1.2  渐变菲涅尔透镜与自由曲面透镜的比较
将自由曲面透镜改为渐变菲涅尔透镜最主要的原因就是减小透镜厚度,提高透光率,从而解决目前 LED 自由曲面路灯透镜散热性差的问题,本节对原始自由曲面透镜与改进后的菲涅尔透镜在结构上进行比较。如图 5.2 所示,为原始自由曲面透镜的轮廓线示意图,从图中可以看出,其底边的一半长度为 19.085mm,由于其面型为不规则自由曲面,无法准确标注半径或长度,因此取其长度最大的点进行标注,其值为 21.430mm。图 5.3 为将自由曲面透镜变为菲涅尔透镜后,相应的底边一半长度为 13.301mm,长度最大点值为 14.894mm,由此可看出厚度有显著减小。

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为更直观表现自由曲面透镜变为菲涅尔透镜后厚度减小值,将两透镜组合在一起进行观察,如图 5.4 与 5.5 所示,阴影部分为将原始自由曲面透镜变为菲涅尔透镜后删去的多余材料,从图中可以看出将自由曲面透镜变为菲涅尔透镜后由于删去很多材料,使得厚度有明显变薄,从而使得散热效率提高,LED 使用寿命可延长,光效衰减有所减弱。

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5.2  渐变菲涅尔透镜光学仿真及结果分析
将设计完成的渐变菲涅尔透镜导入 lighttools 中进行光线追迹,照明模拟结果如图 5.2 所示,接收面的照度分布图以及光强分布图,分别如图 5.3、图 5.4 所示。

通过图 5.3 和 5.4 可以看出,渐变菲涅尔透镜的照度均匀性为 68%,均匀性降低的原因主要为结构损失,由于表面由光滑的自由曲面变为阶梯状菲涅尔面,设计得到的透镜环带倾角可能会超出临界角范围,导致入射光线在该环带上发生全反射(如图 5.5 所示),造成光能损失。且光源 LED 为朗伯体光源,非平行光,被删去部分在光线的传输过程中也起到一定影响,因此变为菲涅尔面型后部分光线不能按照原路径传播,产生一定的散射,从而导致光斑边缘部分出现“尖角”。

单个渐变菲涅尔透镜无法满足道路照明的要求,且单个 LED 功率过低,在实际应用中通常是将若干 LED 透镜进行排列,将这种排列称为 LED 的配光设计。合理的配光设计可以弥补单个菲涅尔透镜均匀度较低的问题,则照度分布可以在一个更大的区域里可以是均匀的。

目前常见的 LED 配光方法主要有两种:第一种是将 LED 灯珠进行弧形排列。首先对单个 LED 模组采用轴对称透镜或反光杯透镜进行配光,将配光后的模组按照弧形排列,其目的是依靠调整弧形曲率以产生矩形光斑。但该方法会造成很大的光浪费,且光照均匀度也达不到国家规定的《城市道路照明设计标准》(CJJ45- 2006),同时这样的弧形排列使得 LED 路灯很难设计出轻薄时尚的外观。

第二种方法是先对每个 LED 进行二次配光设计,使其出射光呈矩形均匀分布在路面上,再对配光后的 LED 透镜进行简单的平面排列,以使其光照强度满足道路照明要求。该方法相比于前面的弧形排列具有很多优势,首先是无需对其排列方式进行复杂计算,只需简单的平面排布,可满足不同造型的路灯设计,其次对于不同照度要求的路面,只需改变 LED 的数量即可,使用简单,便与推广。由于本文中的渐变菲涅尔透镜已产生矩形照明,故采用第二种配光方法进行计算。经多次验证,采用 5*9 的排列方式(如图 5.6 所示),其照明模拟结果如图 5.7 所示,接收面的照度分布图以及光强分布图分别如图 5.8、5.9 所示。

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由图 5.8 和图 5.9 可以看出,所设计的自由曲面透镜配光曲线为蝙蝠翼型,其沿道路方向的配光角度达到 120°左右,垂直于道路方向的配光角度达到 60°左右。通过改进后的透镜进行配光,水平方向的照度均匀性提高到 95%,矩形光斑也被限制在 40*10  的范围内,完全满足国家道路照明设计标准中快速路、主干路的照度均匀度≥0.4  的设计要求,所设计透镜用于道路照明时,不会造成光浪费。

5.3 本章小结
本章完成了渐变菲涅尔透镜的设计,首先利用 solidworks 将十个设计好的自由曲面透镜组合在一起并按照相同的厚度进行切割,并对原自由曲面透镜和渐变菲涅尔透镜进行部分尺寸的标注,以观察在变为菲涅尔透镜后透镜厚度是否有了显著减小,从而达到增加散热性的目的,通过将两透镜组合在一起更直观的观察了透镜厚度的改变,其次将渐变菲涅尔透镜导入 lighttools 中进行光线追迹,仿真结果表明渐变菲涅尔透镜的光照均匀度相比原自由曲面透镜有所降低,并分析了均匀度减小的原因,最后对渐变菲涅尔透镜的组合方式进行研究,最终选择 5*9的组合方式,并对组合后的渐变菲涅尔透镜组进行光线追迹,仿真结果表明设计的渐变菲涅尔透镜组均匀度达到 95%,满足道路照明要求。

第六章  总结和展望
6.1 论文工作内容总结
LED 作为一种新型光源,因其低功耗、绿色环保、使用寿命长等优势,应用日渐广泛,由 LED 取代传统高压钠灯作为路灯已成为目前研究的热点,但由于LED 的空间光分布与传统光源有一定的区别,若使用过去路灯的设计样式,会有很大的光浪费,且眩光效应明显,因此需要对其进行二次光学设计,将出光形式设计为矩形均匀光照。但现有的可满足矩形均匀光照的透镜均存在厚度较大等问题,但现在市场上的大功率 LED 的电光转换效率仅为 15%,也就是有 85%的能量会转化为热能。若用于 LED 的透镜散热性差,会使其芯片的结温过高,从而导致发光效率下降,寿命也会降低。将自由曲面变为渐变菲涅尔面型后,不仅可以满足道路照明要求,透镜厚度也大幅度减小,解决了现有 LED 二次配光透镜散热性差的问题,提高 LED 的使用寿命和发光效率。本论文取得工作成果总结如下:

1.  根据道路照明要求对 LED 二次配光透镜的设计方法进行选择,最终选择数学设计法中的划分网格法作为设计方法,根据光源与目标照明面划分后一一对应的关系,及能量守恒定律和 Snell 定律对自由曲面面型进行计算,并通过Solidworks 对自由曲面进行建模。同时创新性的提出在 Tracepro 中利用宏语言编辑器采用 Scheme 语言对自由曲面透镜进行快速建模,通过 Tracepro 和 lighttools对两种建模方式构建的自由曲面透镜进行光学仿真,利用照度图、强度图等对设计结果的光学性能进行综合评价,两种方法建立的自由曲面透镜均可产生矩形均匀照明,且设计结果符合我国道路照明要求。

2.  在对渐变菲涅尔透镜的设计中,针对自由曲面透镜的特点,选择了分厚度法作为渐变菲涅尔透镜的设计方法,在设计过程中,考虑了自由曲面与菲涅尔面的合理匹配,并满足了矩形均匀照明的要求,着重于减小透镜厚度,利用Solidworks 对十个自由曲面进行匹配切割,最终设计结果满足了矩形均匀照明的要求,且透镜厚度大大降低,提高了 LED 的散热性能,使得 LED发光效率增加,寿命也变长。

3.  将已经设计好的渐变菲涅尔透镜进行合理的排布,使其光照均匀度提高,利用照度分布图、光强分布图等对整体系统进行指标评价,结果表明渐变菲涅尔透镜组照明效果良好。整体设计满足矩形均匀照明、透镜厚度减小的设计要求。

最终设计得到的渐变菲涅尔透镜组光照均匀度达到 95%,照明面积为40*10m,沿道路方向的配光角度达到 120°左右,垂直于道路方向的配光角度达到60°左右。单个渐变菲涅尔透镜底边半长度相比于原自由曲面透镜减小 6mm,透镜长度最大处相比于原自由曲面透镜减小近 7mm,实现了提高 LED 二次配光透镜散热性的要求,对实现 LED 路灯的普及具有极其重要的意义。

6.2 展望
本论文针对实现道路照明的 LED 二次配光透镜的设计要求,设计了满足矩形均匀照明的 LED 渐变菲涅尔透镜,且设计大大减小了 LED 二次配光透镜的厚度,但为进一步达到实际工程应用的需求,该渐变菲涅尔透镜还应继续进行以下几方面的研究工作:

1.  提高 LED 的光能利用率,由于渐变菲涅尔透镜的面型为阶梯型,因此,在棱角处易产生光的反射与散射,使得一部分原本可被投射在目标照明面上的光线被浪费,需要进一步对渐变菲涅尔透镜的面型进行详细的分析,通过改善其面型设计出光能利用率更高的渐变菲涅尔透镜。

2.  渐变菲涅尔透镜为光面朝内、菲涅尔面朝外型,在实际应用时,其菲涅尔面容易积攒灰尘,使得透光效率降低,在未来的研究中可尝试设计为菲涅尔面朝内型透镜。

将 LED 应用于路灯照明已成为现代化城市的必然趋势,为了扩展其应用范围,LED 路灯透镜需要向着高光照、低成本、长寿命的方向发展。此外,渐变菲涅尔透镜由于其厚度小且基本满足了自由曲面照明的要求,将会在更多光学照明相关领域得到推广应用。








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