關(guān)燁鋒，黎永耀

(1.廣東順德工業(yè)設(shè)計研究院(廣東順德創(chuàng)新設(shè)計研究院)，廣東 佛山 511447；2.佛山科學技術(shù)學院物理與光電工程學院，廣東 佛山 528000)

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基于離散擴展光源的LED路燈設(shè)計

關(guān)燁鋒1，黎永耀2

(1.廣東順德工業(yè)設(shè)計研究院(廣東順德創(chuàng)新設(shè)計研究院)，廣東 佛山 511447；2.佛山科學技術(shù)學院物理與光電工程學院，廣東 佛山 528000)

本文設(shè)計了由多個離散排布的擴展光源與單個透鏡組合而成的LED路燈。其透鏡的內(nèi)表面進行了特有的磨砂處理，保證了離散光源出光光斑的均勻性。熱學分析結(jié)果表明，在同樣的功率下，該光源設(shè)計能有效地降低燈具模組的結(jié)溫。道路照明分析驗證了打樣實測的配光曲線，結(jié)果表明該款路燈能滿足國家道路照明的要求。這種基于低成本的離散擴展光源的LED路燈設(shè)計方案，能更好地在成本和產(chǎn)品穩(wěn)定性之間取得平衡，為性價比高的LED照明產(chǎn)品設(shè)計提供參考。

LED；道路照明；配光設(shè)計；離散擴展光源；路燈；透鏡；設(shè)計；穩(wěn)定性；成本

引言

對于LED光源，低成本的板上芯片封裝(Chip On Board, COB)光源一直被視為LED光源的發(fā)展方向[1-4]。目前市場上的COB光源大多采用鋁基板作為材料，而鋁基板熱阻較大，可靠性不高，對于大功率LED路燈等產(chǎn)品則容易出現(xiàn)光衰和死燈的現(xiàn)象[5]。陶瓷基板是COB光源的理想材料之一，但是成本較高，LED路燈客戶難以接受。為此，本文提出一種基于低成本的離散擴展光源的LED路燈設(shè)計方法，該設(shè)計能更好地在成本和產(chǎn)品穩(wěn)定性之間取得平衡，為性價比高的LED照明產(chǎn)品設(shè)計提供參考。

1 離散擴展光源的設(shè)計

區(qū)別于常規(guī)的單個透鏡配合單顆大功率LED燈珠或者COB光源設(shè)計的LED路燈，本文提出利用數(shù)量為(3N+1)的低成本中功率貼片LED燈珠(其中N≥1)，排成M(M≥3)列，并配合設(shè)計了一款LED路燈透鏡，此設(shè)計方法同樣適用于工礦照明等。該燈具的光源具有擴展性和離散性，在透鏡設(shè)計過程中，需要考慮到光源發(fā)光面不連續(xù)的特點，設(shè)計難度比一般透鏡的設(shè)計大[6]。在光源燈珠排布的探索中，經(jīng)反復(fù)驗證，以相鄰三顆燈珠的中心點相連直線組成等邊三角形時出光效果最為理想，這種排列方式可降低因光源發(fā)光面的不連續(xù)而造成配光曲線的震蕩。

2 基于離散擴展光源的LED路燈透鏡設(shè)計

該LED路燈透鏡是利用自由曲面光學技術(shù)進行設(shè)計的[7]。其設(shè)計思路為：首先以LED點光源作為參考，把LED點光源發(fā)出的能量半球劃分為若干份能量單元，接著把目標平面劃分為若干份面積單元，最后根據(jù)光學擴展量守恒定律、折射定律以及邊緣光學原理，建立起能量單元與面積單元之間的能量對應(yīng)關(guān)系，并計算出生成自由曲面透鏡模型所需要種子線的坐標。把種子線導入Solidworks等三維設(shè)計軟件里即可生成所需要的透鏡模型。這種基于能量網(wǎng)格劃分的透鏡設(shè)計方法已被廣泛應(yīng)用在LED配光設(shè)計中[8-9]。對于離散擴展光源，在點光源的基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真結(jié)果對種子線加以調(diào)整，可得到符合道路要求的配光曲線。本實例采用了中功率3030燈珠，以N=M=3，即10個燈珠排成3列為例，實現(xiàn)10顆燈珠3-4-3的排列(如圖1所示)，設(shè)計了基于離散擴展光源的LED路燈透鏡。

圖1 10個3030燈珠構(gòu)成3-4-3等三角排列的離散擴展光源Fig.1 Discrete expended source with triangle arrangement consisted of ten 3030 LED

3 透鏡內(nèi)表面磨砂處理

由于光源是由10個3030燈珠組成，發(fā)光面不連續(xù)，這會給配光曲線造成震蕩，進行影響光斑質(zhì)量。這在透鏡與燈珠之間存在較大裝配誤差時尤為明顯。該透鏡為偏光路燈透鏡，其進光面，即透鏡內(nèi)表面被輕度磨砂處理。進行磨砂處理后，由于磨砂微粒結(jié)構(gòu)的散射而產(chǎn)生的勻光作用，這類似于室內(nèi)燈具中全內(nèi)反射透鏡中的珠面處理[10]。該磨砂處理能使路燈的出光光斑亮度均勻，將大幅減小甚至消除因光源不連續(xù)而造成的光強起伏。而相對于光滑的透鏡來說，內(nèi)表面被輕度磨砂后透鏡的配光曲線角度會較大一些，以及透光率較低一些。另外，磨礪的處理程度越高(顆粒越精細)，燈具的發(fā)光角度越大，光輸出效率越低。因此，本工作對透鏡的內(nèi)表面只作了輕度處理，以便配光曲線在滿足道路照明標準的前提下，獲得較高的光輸出效率。

基于上述路燈透鏡的設(shè)計方法，本文設(shè)計了一個適用于三車道的LED偏光路燈透鏡。透鏡所用燈珠為Philips的白光LUXEON 3030 2D，其發(fā)光效率最高可達133 lm/W[11]。透鏡的三維模型如圖2所示，圖3為用于構(gòu)造三維模型所設(shè)計的種子線。

圖2 透鏡的三維模型圖：(a)上視圖；(b)下視圖Fig.2 3D model of the lens: (a) top view; (b)bottom view

圖3 構(gòu)造透鏡三維模型所設(shè)計的種子線Fig.3 The seed lines for the 3D design of the lens

4 仿真及開模測試結(jié)果

利用Lighttools或Tracepro等光學仿真軟件對裝配后的透鏡模型與離散分布的LUXEON 3030 2D光源進行光學仿真。透鏡所使用材料為聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)，光線追跡方式為蒙特卡羅光線追跡，所用光線數(shù)量為500萬。圖4為光線追跡后得到的配光曲線，該配光曲線的角度約為75°×130°。圖中C0-C180曲線為沿車道方向的光強分布，曲線C90-C270為垂直于車道方向的光強分布。

圖4 離散擴展光源配合設(shè)計透鏡光線追跡所得到的配光曲線Fig.4 The designed IES for the discrete expended source

對光學仿真得到的IES文件(配光曲線)進行道路照明分析并確認其符合道路照明標準后，對透鏡進行開模打樣，然后對組裝后的燈具的配光曲線進行實測。本實驗測試所用的儀器為遠方配光測試儀(GO-HD5)，測試所得的配光曲線如圖5所示。實測的配合曲線的角度為77.2°×149.8°(C0×C90)，與設(shè)計角度相比，C0與C90的角度都變大了。角度變大的原因與透鏡開模的精確，注塑工藝以及透鏡與燈珠的裝配誤差有關(guān)。在實際應(yīng)用中，需要保證實測角度在一定范圍里(對于本實例通常不超過85°×150°)，以便滿足城市道路照明設(shè)計的標準。

圖5 燈具實際測量所得到的配光曲線Fig.5 The measured IES of the lamp

對從光學仿真和配光測試儀得到的IES(配光曲線)文件，可利用照明設(shè)計軟件DIALux進行道路仿真分析。DIALux的各項參數(shù)設(shè)置如下：路面為10.5 m寬的三車道，燈桿安裝高度為10 m，燈桿間距為35 m(高距比為1∶3.5)，懸挑長度為1.5 m，仰角15°，燈具總光通量為15 000 lm，燈具排列方式為單側(cè)布燈。選用瀝青R3路面進行照明仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。仿真結(jié)果表明，對于設(shè)計值：照度均勻度UE，亮度總均勻度U0和亮度縱向均勻度UL分別為0.52，0.53和0.81；而對于開模后的實測值：UE、U0和UL分別為0.50，0.51和0.79。因此，仿真和實驗結(jié)果的數(shù)值接近，且都能滿足《城市道路照明設(shè)計標準》(CJJ 45—2015)中道路配光的要求[12]。

圖6 對配光曲線進行道路照明分析的結(jié)果Fig.6 The analysis results for road lighting with IES

5 熱仿真分析

目前，LED散熱的方式主要有散熱翅片、熱電制冷技術(shù)、熱管技術(shù)、液冷和風冷等[13]。其中，熱管技術(shù)具有技術(shù)成熟、傳熱迅速，溫差小等優(yōu)點，可有效消除“熱點”，使散熱面溫度均勻，廣泛應(yīng)用于分散熱源的溫度控制。本實例采用了銅制熱管外加鋁制翅片散熱器的散熱模組，分別對同等功率、同等發(fā)光面積的離散擴展光源和COB光源進行熱學仿真分析。離散擴展光源是由10個0.5 W的3030燈珠構(gòu)成，而COB光源的功率為5 W，直徑為8.2 mm，面積約等于10個3030發(fā)光的總面積。3030燈珠和COB光源的熱阻分別為12 ℃/W和2 ℃/W，每個模組上各布置4個光源，共20 W。模組的熱學仿真分析使用Ansys熱分析軟件進行。仿真中假設(shè)外界環(huán)境溫度為25 ℃，壓力為常壓。散熱模組仿真的溫度分布圖如圖7所示，仿真結(jié)果表明，離散擴展光源的結(jié)溫為52.79 ℃，小于COB光源的53.48 ℃。因此，在同等功率下，高熱阻的離散排布的擴展光源比COB光源有可能取得更高效的散熱效果。

圖7 散熱效果對比Fig.7 Contrast of heat dissipation effect

6 討論與結(jié)論

本文采用多個中功率貼片LED與單個LED偏光路燈透鏡組合的方式，設(shè)計了基于離散擴展光源的LED路燈。由于擴展光源發(fā)光面不連續(xù)，相對連續(xù)光源來說，實際開模和裝配過程中出現(xiàn)的誤差更容易造成配光曲線的震蕩，因此本工作采取對透鏡內(nèi)表面進行輕度磨礪的處理。雖然磨砂微粒結(jié)構(gòu)的光散射效應(yīng)產(chǎn)生了勻光作用，并能減小因?qū)嶋H誤差而引起的配光曲線起伏，但是磨砂處理同時會使燈具的輸出效率降低2%左右。另外，磨砂處理還對光線起發(fā)散作用，使實際的配合曲線的角度變大。本文利用光學仿真軟件進行光線追跡實現(xiàn)理論驗證，最后打樣并測試了燈具的配光曲線。實驗結(jié)果表明，實驗與理論分析結(jié)果都符合國家道路照明設(shè)計標準。盡管如此，實際的配光曲線的角度，尤其是C0方向(沿車輛行駛方向)的角度有一定增加。配光曲線的角度變大容易引起道路照明分析中眩光值超出標準。因此，透鏡的內(nèi)表面磨砂處理程度不能太高，否則會影響到燈具的輸出效率和應(yīng)用范圍。

本文最后通過專業(yè)熱分析軟件在同等功率下對兩種不同光源進行散熱仿真，仿真結(jié)果表明，采用離散擴展光源的模組比采用COB的具有更低的結(jié)溫，且散熱效果更好。與此相關(guān)的實驗工作后面還需要進一步完善。

總的來說，基于低成本離散擴展光源的LED路燈設(shè)計能更好地在成本和產(chǎn)品穩(wěn)定性之間取得平衡，在成本壓力不斷上升的未來，會更有好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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LED Road Lamp Design Based on Discrete Extended Light Source

GUAN Yefeng1，LI Yongyao2

(1.Duangdong Shunde Innovative Design Institute (Duangdong Shunde Industry Design Institute)，F(xiàn)oshan 511447, China; 2.School of Physics and Optoelectronic Engineering, Foshan University , Foshan 528000, China)

This paper proposes a LED road light with discrete extended light sources and a single lens. The inner face of the LED lens is ground by special technology and it keeps the uniformity of the light distribution. With the same power supply, the thermal analysis results show that this design can lower the junction temperature of the module of the lamp efficiently. The measured IES is tested with DIALux and the result shows that this IES meets the standard for lighting design of urban road. The optical design based on discrete expended source strikes a balance between cost and product stability, and provides a reference for LED lamp with high function-price ratio.

LED; road lighting; light distribution design; discrete extended light source; road lamp; lens; design; stability; cost

國家自然科學基金項目面上項目(項目編號：11575063)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.015