LED路灯和车灯的二次光学设计

摘要

发光二极管（Light Emitting Diode，LED）是一种新型固体照明光源，与传统光源相比， LED具有低功耗、发光效率高、寿命长、体积小、重量轻、可靠性高和环保等优点，被认为是 21 世纪绿色照明光源。目前，LED在一般照明以及特殊照明方面应用中均得到了蓬勃发展，如道路照明、LED背光源以及汽车照明等，高发光效率、高亮度均匀度和小尺寸是LED照明光学设计中的三个主要因素。本文根据非成像光学理论知识，围绕LE D在路灯及车灯光学设计中存在的发光效率低、亮度均匀度不足和灯具体积大三个主要问题进行了探索性研究，并针对相关问题提出光学设计方案，为目前照明工程中存在的实际问题以及光学设计工程师提供新的设计思路。论文研究内容主要包括以下三个方面： 1、设计了一款自由曲面LED路灯透镜，采用LightTools软件仿真模拟显示其纵向均匀度为 88.58%、横向均匀度为 78.66%的矩形光斑，发光效率高达 92.6%；对该自由曲面LED透镜进行阵列排列，实现了功率为 160 W的路灯模组。在路灯杆间距为 45 m的情况下，采用DIALux软件进行道路场景仿真，结果表明：被照路面平均亮度Lav ( Lm )=1 . 4 1 2cd/m＞0.75 2cd/m 、总均匀度U 0=0.54＞0.4、纵向均匀度UI (U L )=0.73＞0.6 以及眩光阈值增量TI=14＜15，参数均符合最新道路照明标准值要求，相对于目前市场上的杆间距为40 m的LED路灯，每100 km道路上可节省路灯约277盏，具有工程实际应用价值。 2、基于光学全内反射（TIR）原理，设计一款超薄LED后转向信号车灯透明导光板，应用 CATIA 软件对导光板各子面的面型进行优化调整，实现发光面厚度仅为 10.3 mm ， LucidShape软件仿真结果表明，该LED后转向信号车灯各方向发光强度值均满足GB17509-2008 汽车和挂车转向信号灯配光性能国家标准的要求，且亮度均匀度高达 77.78%，既降低了传统转向信号车灯的体积，又解决了目前 LED 转向信号车灯因直接照明产生亮斑而造成车灯点亮不均匀的问题。 3、采用TIR准直结构设计了一款小型、超薄LED倒车灯透明导光板，应用CATIA软件对导光板各子面的面型进行优化调整，实现发光面尺寸仅为 42 mm×6mm ，LucidS ha p e软件仿真结果表明，该设计方法得到的 LED 倒车灯各方向发光强度值均满足 GB15235-2007汽车及挂车倒车灯配光性能要求，且基于TIR准直结构的LED倒车灯光学利用率为23.9%，亮度均匀度为87.01%，比采用全内反射原理设计的LED倒车灯分别高出4. 6%和22.18%，既降低了传统倒车灯的体积，又解决了目前 LED 倒车灯因直接照明产生亮斑而造成车灯点亮不均匀的问题。

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