寇遠(yuǎn)鳳+王敏+邵曉萍+黃耀林

摘要：針對當(dāng)前LED路燈照明采用照度均勻的設(shè)計(jì)方法無法滿足道路照明實(shí)際需求的情況，通過推導(dǎo)自由母線的偏微分方程，在研究路燈配光特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)用SolidWorks軟件建立LED路燈的光學(xué)模型，將光學(xué)模型導(dǎo)入TracePro軟件進(jìn)行仿真，應(yīng)用DIALux軟件模擬實(shí)際道路場景和路面的光照情況，完成一款符合國家標(biāo)準(zhǔn)的LED道路照明燈具配光設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)燈具的路面亮度總均勻度和路面縱向均勻度分別為0.82和0.77，都高于國家照明標(biāo)準(zhǔn)，既滿足亮度均勻性的要求，也滿足照度均勻性的要求。并研發(fā)了一款全新的模塊化燈具結(jié)構(gòu)，實(shí)用方便，市場前景廣闊。

關(guān)鍵詞：

光學(xué)設(shè)計(jì)； 道路照明； LED路燈； 等亮度； 模塊化結(jié)構(gòu)

中圖分類號： TD 625文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.06.011

Abstract：

To address the problem that the design method considering illumination uniformity of current LED street lights cannot meet the actual requirements of road lighting，we derive the partial differential equation of the free surface generatrix on the basis of light distribution characteristics.The SolidWorks software is used to establish the optical model of LED street lamp，and the optical model is introduced into TracePro software for simulation.DIALux software is used to simulate the actual road lighting conditions，and the design of light distribution for LED road lighting lamps and lanterns is realized，which meets the national standards.Total brightness uniformity and longitudinal uniformity are 0.82 and 0.77，respectively，higher than the national lighting standard，meeting the requirements of brightness uniformity and illumination uniformity.We also develop a new modular lamp structure that is practical and convenient and with broad market prospect.

Keywords：

optical design； road illumination； LED street lamp； equal brightness； modular structure

引言

近年來，隨著科技的進(jìn)步，新能源技術(shù)與大功率LED照明系統(tǒng)相結(jié)合，LED路燈的能效、照明均勻度等性能與高壓鈉燈（HPS）為主的傳統(tǒng)路燈相比都有了質(zhì)的飛越。LED燈具開始廣泛應(yīng)用于道路照明等各類場景，但由于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良莠不齊，市面上在售的路燈均以照度均勻?yàn)樵O(shè)計(jì)指標(biāo)。國際照明委員會早在1977年出版第12.2號文件以來，北美各國的道路照明系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)均以等亮度作為道路照明指標(biāo)，顯然在售的路燈設(shè)計(jì)已無法滿足道路照明的實(shí)際需求?；谶@些問題，本文著手設(shè)計(jì)了一款等亮度LED路燈透鏡，并設(shè)計(jì)了一款全新的模塊化燈具結(jié)構(gòu)。

1設(shè)計(jì)方法及結(jié)果分析

1.1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)建模

LED燈具實(shí)質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，進(jìn)行照明設(shè)計(jì)[12]時(shí)需分析光源芯片的光線傳導(dǎo)過程，充分考慮目標(biāo)平面的光能量分布。圖1所示為光傳播原理，入射光線與透鏡自由曲面交于一點(diǎn)L（x，z），透鏡的材料與折射率決定了透鏡的透光率、出射光與透鏡的夾角等，經(jīng)過數(shù)學(xué)推導(dǎo)得到自由母線的偏微分方程。

圖1邊緣光線傳播原理

Fig.1Spreading of edge rays

假設(shè)出射光與外表面法線成角度α1，與目標(biāo)受照面成角度α2，透鏡與光源間為空氣間隙，透鏡與空氣折射率分別為n和1，設(shè)m2為法線斜率，tanΦ2和tanΦ3分別為入射光線和折射光線的斜率，則

A1=ntanα1/tanα2

（1）

A2=（1+tan2α1）/（1+tan2α2）

（2）

A1A2=1

（3）

令

k=A1/A2

（4）

α1=（tanΦ3-m2）2+（1+m2tanΦ3）2

（5）

α2=（tanΦ2-m2）2+（1+m2tanΦ2）2

（6）

將α1、α2代入A1、A2，可得

m2=（nktanΦ2-sinΦ3）/（ncosΦ2-cosΦ3）

（7）

進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可將式（7）的m2、Φ2、α3表示為

sinΦ2=zx2+z2cosΦ2=xx2+z2endprint

（8）

sinΦ3=H-z（xr-r）2+（H-z）2cosΦ3=xr-x（xr-r）2+（H-z）2

（9）

則可得自由曲面母線的偏微分方程為

（z）（x）=ntanΦ2-sinΦ3ncosΦ2-cosΦ3

（10）

本設(shè)計(jì)考慮到光能的利用率問題，將路燈的縱向配光設(shè)計(jì)成對稱分布，并且縱向配光的單側(cè)控光范圍為路燈間距的一半，橫向配光呈非對稱分布，并且光強(qiáng)較大方向偏向于道路中心線。為了滿足兩個(gè)方向的光束要求，所設(shè)計(jì)的透鏡是一個(gè)縱向?qū)ΨQ、橫向偏心的不規(guī)則曲面透鏡[36]。

橫向配光的中心光強(qiáng)越接近矩形區(qū)域的中心線越好，在突出路沿為0.3 m的情況下，計(jì)算路燈的橫向偏心角。設(shè)偏心角為α，突出路沿S=0.3 m，燈桿高度H=12 m，則

α=arctan3.75-0.312=16.04°

（11）

所以C90°～270°需要光強(qiáng)偏角至少為16.04°。

計(jì)算C0°～180°方向的峰值光強(qiáng)角。由于兩燈桿相距35 m，所以路燈的縱向配光單側(cè)控光范圍為17.5 m，設(shè)峰值光強(qiáng)角為β，則

β=arctan17.512×2=111.12°

（12）

故峰值光強(qiáng)夾角應(yīng)大于111.12°。計(jì)算以上兩個(gè)角度可知配光曲線的大致形狀。

設(shè)計(jì)透鏡采用聚碳酸酯（PC）材料，其折射率為1.59，設(shè)發(fā)生全反射的臨界角為C，PC材料的折射率為n1，空氣折射率為n2，則

C=arcsinn2n1=arcsin11.59=38.97°

（13）

根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行光線理論分析，代入式（2）～（10）的自由曲面母線偏微分方程，并進(jìn)行MATLAB編程，擬合生成LED透鏡的母線。將所得母線導(dǎo)入建模軟件SolidWorks，結(jié)合光學(xué)軟件TracePro、DIALux進(jìn)行優(yōu)化分析，最終得到透鏡結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2軟件模擬評估

1.2.1

光線模擬

設(shè)計(jì)所用光源為CREE公司官網(wǎng)下載的XPG光源，定義檔案光源，附加25萬條光線，設(shè)置波長為0.546 1，進(jìn)行光線追跡，觀察配光曲線圖，如圖3所示。

采用TracePro模擬分析透鏡模型，在12 m處設(shè)置一塊長寬分別為80 m的薄片作為接收面，接收面設(shè)置為完全吸收，將透鏡材料設(shè)置為PC，光源光線數(shù)設(shè)置為250 000條，將分析單位由輻射度學(xué)單位改為光度學(xué)單位，然后進(jìn)行光線追跡，如圖4所示。

1.2.2

配光曲線模擬

該配光與傳統(tǒng)的蝙蝠翼型配光有所不同，若路面上的漫反射系數(shù)為1時(shí)，可以用蝙蝠翼型配光，但是實(shí)際的道路中都同時(shí)存在這兩種反射。由于路燈下中間點(diǎn)的鏡面反射最大，為了提高亮度均勻性，應(yīng)該增加中間點(diǎn)光強(qiáng)，所以配光曲線[78]應(yīng)設(shè)計(jì)為圖5所示形狀。

將光源的IES文件直接導(dǎo)入DIALux軟件中，建立道路場景，進(jìn)行模擬仿真，道路所設(shè)定參數(shù)與前文設(shè)定一致，得到道路照明效果如圖6所示。

可見光源未經(jīng)配光時(shí)在路面上會產(chǎn)生圓形光斑，易造成路面陰影，形成斑馬效應(yīng)，增加駕駛員的疲勞程度，不利于夜間出行。

將TracePro中生成的配光曲線導(dǎo)入DIALux中進(jìn)行道路模擬。圖7為配光后的道路3D視圖，燈具為雙側(cè)對稱布置，設(shè)置燈桿高度為12 m，燈桿間距為35 m，進(jìn)行照明計(jì)算，結(jié)果如表1所示。

1.3模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)LED路燈主要存在以下幾個(gè)問題[9]：1） 燈具的外框固定，該燈具所能安裝的模塊數(shù)量上限也固定，導(dǎo)致該燈具使用范圍固定，無法滿足不同的照明場景需求；2） 普通燈具的LED照明模塊共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源，一旦電源出現(xiàn)問題將導(dǎo)致整燈無法工作；3） 普通燈具一旦某個(gè)模塊出現(xiàn)問題，就必須替換整燈，維護(hù)麻煩。

為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種全新的模塊化結(jié)構(gòu)。如圖8所示，從左到右依次為模塊拆解后的零部件：印刷電路板（PCB）、路燈透鏡、散熱器、電源箱蓋板。

設(shè)計(jì)可擴(kuò)展連接裝置，使燈具的模塊數(shù)量可變。分析不同道路的照明需求，可以通過增加或減少照明模塊的數(shù)量來滿足不同亮度需求。設(shè)計(jì)每個(gè)LED照明模塊擁有獨(dú)立電源從而能夠獨(dú)立工作，不同模塊間并聯(lián)。最后，通過整體結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)，使每個(gè)模塊單獨(dú)工作并且拆裝方便，不同模塊之間的連接如USB拔插一般方便。一旦其中個(gè)別模塊出現(xiàn)問題，只需將其用新模塊替換即可，無需整燈替換，降低維護(hù)難度，提高維護(hù)效率。將上述零部件組裝成照明模塊和整燈后，模塊化LED路燈整體結(jié)構(gòu)如圖9所示。2結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)LED路燈存在的問題，首先通過光學(xué)理論分析推導(dǎo)得到LED透鏡的母線偏微分方程，將該方程進(jìn)行MATLAB編程后得到LED透鏡的母線，導(dǎo)入建模軟件SolidWorks，應(yīng)用TracePro軟件進(jìn)行光學(xué)模擬追跡分析，結(jié)合CAD軟件優(yōu)化，得到了出光效果亮度均勻性較好的透鏡。設(shè)計(jì)的等亮度路燈的指標(biāo)為：平均亮度1.76 cd/m2，總均勻度0.82，縱向均勻度0.77，閾值增量9，周邊照度系數(shù)0.87。使用DIALux進(jìn)行照明方案的模擬，分析模擬結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了之前的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。最后針對市場上LED路燈存在的結(jié)構(gòu)問題，設(shè)計(jì)了全新的模塊化LED路燈結(jié)構(gòu)，得到一款模塊化等亮度的LED路燈。

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（編輯：張磊）endprint