LED光源作為實際應用的照明光源的時間不長,但在實際照明工程中表現出了極大的優勢,光源結構緊湊、整體發光效率高、照明設計也更為靈活,但LED光源配光不易實現。現有的大部分LED光源的出射角為110?~120?的圓形光源,如果沒有經過配光,會在路面形成一個面積較大的圓斑,如圖1所示[1]。為有效利用LED的光線,希望道路照明燈具應將光源發出的光線在空間上合理分配,最終在路面形成照度均勻的矩形光斑,如圖2所示。對于大功率路燈來說,光源部分現主要采用單個小功率LED陣列和大功率集成封裝LED光源,前者燈具設計受到光源數量和排大幅提高地方列方式等限制,行業中積累了一定的燈具設計經驗,而后者光色一致性容易控制,燈具裝配簡單,但發光面大,并無設計經驗可依。

　　在路燈設計中,光源光線的出射角改變程度受限,針對較小出光角要求的設計中無法考慮大角度光源光線,即道路路寬限制了橫向出光角的大小,在橫向尺度上不易充分利用光源能量,這給非對稱自由曲面透鏡的設計提出了難題,即在路面長度方向要將光線拉開,使光形有足夠的長度,而在路面寬度方向要將光線壓縮,使LED發出的光線集中到沿道路長度方向的矩形區域內。

　　目前,一些學者采用自由曲面透鏡進行單個LED光源的路燈配光設計,而對大功率集成封裝光源配光研究較少。丁毅等人基于光源能量與目標面能量的拓撲對應關系構建了一階偏微分方程,然后求解透鏡的曲面數據,但是建模時曲線擬合會失真,且得到的是正多邊形光照面,并不是路燈照明中所要求的矩形。王洪等人也基于能量守恒,劃分光源與目標面能量網格來設計自由曲面反射鏡,但也會產生建模時曲線擬合失真的問題。

　　本文光源采用大功率集成封裝光源,基于能量守恒設計自由曲面透鏡,構建道路外部區域光線能量與光源能量的對應關系,只設計這一部分的透鏡曲面,采用二次曲線來作為燈具透鏡的母線,通過有限個點構建曲線,依據光源性質、照明面的照度要求和照度范圍,利用正交優化分析透鏡母線的相關參數,最后得到了矩形光斑照明所要求的光學自由曲面透鏡。

圖1圓形光斑

圖2道路要求的矩形光斑

　　1透鏡曲線斜率方程

　　在以下的討論中,定義x方向為路面長度的方向(即沿道路車輛行駛的方向),y方向為路面寬度方向(即垂直于車輛的行駛方向)。

　　常見的自由曲面設計方法有兩種:數值優化法和直接法。數值優化法提出了帶有若干可變參數的優化函數,要求設計人員具有豐富的經驗,由于是反復多次優化,因此設計過程較長。使用直接法的初始條件是己知光源的發光性質和預期照明目標面上的光照分布,通過加入自由曲面透鏡,將光源的光線分布與照明目標面的光線分布加以匹配[4]。對匹配光源的光線與照明面的光線分布來說,本文提出了透鏡母線的優化方程,在后續設計中運用該方程構造透鏡曲面。

　　如圖3所示,設光源o位于直角坐標的原點,照明路面的長度為s,照明高度為h,出光角與水平面的夾角為θ,簡化設計,設透鏡在第一折射面不經過折射,光線只經過透鏡第二折射面p點才發生折射。根據Snell定律,可表示為

　　式中:n1為透鏡的折射率;n2為空氣的折射率;α和β分別為光線的入射角和出射角。