LED隧道燈透鏡的全偏光設計

李柏林，關燁鋒，羅婉霞

(廣州廣日電氣設備有限公司，廣東 廣州 511447)

引言

隨著國內的環境污染問題日益突出，節能減排受到了前所未有的重視。LED作為第四代照明光源，具有節能、環保、壽命長等優點，已被廣泛應用在室內、戶外以及特殊照明上。

目前大多數的LED屬于(近)朗伯型光源，為了使LED的發光分布符合實際應用，需要對LED進行二次配光。現有的LED配光有反射式(反光杯)和折射式(透鏡)等方式，其中折射式配光對光的控制性強，被廣泛應用于道路和隧道照明中。為了使LED照明燈具有更高的能量利用率，目前道路燈具的配光多數采用偏光形式。這里的偏光指的是燈具的配光沿著車輛行進方向為對稱分布，而垂直于車輛行進方向為非對稱分布，如圖1所示。

隨著道路照明設計的不斷發展，道路配光的評價標準從過去的照度均勻逐漸發展成為以亮度均勻為主，照度均勻為輔[1]。配光曲線反映了燈具在空間某個截面上光強與發光角度的關系。一個理想的配光曲線的設計需要綜合考慮燈具的安裝高度、燈桿間距以及路面寬度等參數，使路面照度、亮度以及閾值增量等評價道路照明質量的參數指標都符合標準，并達到高效、健康和節能的照明目的。本文提出一種新型的全偏光透鏡，其配光曲線沿著和垂直于車輛行進方向都是非對稱分布。這種透鏡可以在得到足夠亮度均勻度的情況下，減小光幕效應對駕駛員的影響。

圖1 傳統偏光透鏡的配光曲線：曲線C0-C180和C90-C270分別為沿著和垂直于道路方向的光強分布Fig.1 Light distribution curve of traditional asymmetric lens. Curve C0-C180 and C90-C270 are along and perpendicular to the road direction, respectively

1 全偏光LED透鏡的設計

1.1 設計原理

道路配光設計的目的是為駕駛員提供舒適的照明環境，保證道路交通安全。在不同的道路環境中，要有相對應的配光設計，其中隧道是一個特殊的道路照明環境。在大多數的隧道中，車輛單向行駛，來自上前方燈具的直接燈光和下前方地面的反射光構成了駕駛員的視覺效果，如圖2所示。隧道燈具的配光設計要保證路面亮度有足夠均勻度的同時，盡量減少燈光對人眼的直接照射(減少眩目)。燈具發出的光線可以分為兩類，正向傳播光線和逆向傳播光線。正向傳播光線只會產生反射光，形成路面亮度；小角度的逆向傳播光線產生反射光，形成路面亮度，而大角度的逆向傳播光線能直接入射到人眼，形成光幕而產生眩目。光幕的影響越大，人眼對物體的分辨能力就越弱。

圖2 燈具的光線傳播示意圖Fig.2 Schematic of light propagation of luminaire

光幕的影響程度用眩光限制閾值增量(TI)來衡量，《城市道路照明設計標準CJJ45—2006》規定了三種道路類型中TI的初始最大值。在道路照明中，路面亮度在0.05cd/m2～5cd/m2的情況下，可用以下公式計算：

(1)

其中，Lv為等效光幕亮度；Lav為路面平均亮度；n為同排500m范圍里的燈具總數[2]；K為年齡系數，一般取10(23歲觀察者)；Eeyei為第i個燈具在人眼視線方向上在視網膜上的照度；θi為第i個燈具入射到人眼的光線方向與人眼視線方向的夾角。

一般駕駛員注意的區域在正前方60～160米，相對于水平面的角度約為1°。因此，在燈桿高度和燈桿間距一定的情況下，要減小燈具大角度的光強值以降低TI值，如圖3所示。

圖3 燈具在大角度的光強分布會對駕駛員造成眩目影響Fig.3 The light intensity at large angle of the light distribution curve can cause glare for the drives

從道路照明質量方面看，給駕駛員視覺舒適性帶來影響的主要有“斑馬紋”和眩光[3]。“斑馬紋”主要是由路面的縱向亮度均勻度(UI值)過低造成的，而眩光則是由于燈具縱向(沿車道方向)的發光角度過大。增大燈具的縱向發光角可以提高UI值，但是這使得眩光光線的Eeyei過大，增加了TI值。因此，提高亮度均勻度和降低眩光值之間就存在著競爭關系。

不同于傳統隧道燈沿沿車道方向的對稱配光(完全對稱或半偏光)，完全非對稱(全偏光)的配光更具有靈活性。首先，完全非對稱配光可使逆向傳播的光線角度不會過大，而正向傳播的光線角度適當放大一些，能量更多一些，以保證隧道路面有足夠大的亮度均勻度。其次，在兩燈之間的考察區域內，亮度是由主要相鄰的兩個燈具的光線引起的，非對稱設計相對于對稱配光設計來說，亮度均勻的優化設計就增加了一個自由度。

1.2 設計方法

全偏光LED隧道燈透鏡的設計思路為：首先把LED光源發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關系，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等三維設計軟件里即可生成所需要的透鏡模型。這種基于能量網格劃分的透鏡設計方法已被廣泛應用在LED配光設計中[4-6]。光源能量和目標平面的劃分如圖4所示。LED的半球面發光情況使用角度(u,v)來表示，如圖4(1)所示。其中O點位于LED發光的中心，并且光強的最大值沿Z軸方向。另外，每一份能量單元的大小通過(Δu,Δv)來劃分，并且對應著目標平面區域上的面積單元(Δx,Δy)，如圖4(2)所示。每一份能量單元的大小為：

(i=0,1,…M;j=0,1,…N)

(2)

能量單元與目標面積單元的劃分，影響著最終配光的效果。能量劃分算法通常是把LED的能量半球進行能量等份劃分，而對于目標區域(如車道)則通過調整面積單元(Δx,Δy)的大小來進行能量分配。如果能量單元被分配到一個面積較小的面積單元(Δx,Δy)，則該區域的能量密度就較高；反之較小，如圖4(3)所示。通過這種能量重新分配的設計方法可實現LED的偏光控制，其詳細的分析與計算過程可參考相關文獻[7]。這種把LED的圓形發光劃分為矩形網格的方法，符合長方形的道路實際需要，提高了燈具能量利用率。

圖4 (1)LED半球面發光的空間角度表示，(2)、(3)LED發光球面上能量單元與目標面上面積單元的對應關系Fig.4 (1) The spherical coordinates representation of LED radiation， (2)、 (3) The corresponding relation of energy unit on the radiation sphere surface and area unit on target plane

自由曲面透鏡的關鍵坐標點是通過科學計算軟件Matlab程序把上述的設計思路轉化為數學語言計算出來的，通常直接出來的坐標點并不能直接得到道路需要的透鏡模型，主要原因有以下幾個方面。首先，計算程序是把LED光源簡化為點光源，然后利用光學中的折射定律進行自由曲面求解。然而，實際LED的發光面相對于透鏡來說尺寸較大，這會造成計算結果有誤差。另外，LED的光強分布通常也不是理想的朗伯分布，即LED的光強分布呈余弦變化。其次，在種子線的計算過程中，由于后一個點的計算是以前一個點作為參考，所以種子線會出現計算的累積誤差。最后，道路照明應用需要考慮亮度均勻性，而原始的計算方式只是以能量(照度)均勻性來計算的。因此，在程序中需要引入適當的網格調制因子以修正誤差[8]，并能量分布滿足道路照明的亮度均勻性需要。

1.3 設計實例及結果分析

基于上述算法，本實例設計了一個適用于兩車道的全偏光LED隧道燈透鏡。透鏡所用燈珠為Philips的白光Luxeon T，其發光效率最高可達130lm/W。透鏡的三維模型如圖5(1)所示，圖5(2)為用于構造三維模型所設計的種子線。

圖5 (1)全偏光透鏡的三維模型，(2)用于構造三維模型所設計的種子線Fig.5 (1) The 3D model of the totally asymmetric lens， (2) Seed lines for constructing the 3D model

利用Tracepro等光學模擬軟件對透鏡模型與Luxeon T光源進行光學模擬。設定透鏡所用材料為聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)，并使用蒙特卡羅光線追跡。圖6為使用100萬條光線模擬后得到的配光曲線，此配光曲線的角度約為55°×130°。圖中C0-C180曲線為沿車道方向的光強分布，并且最大值在車輛行使方向；曲線C90-C270為垂直于車道方向的光強分布。

圖6 全偏光透鏡的配光曲線：曲線C0-C180和C90-C270分別為沿著和垂直于道路方向的光強分布Fig.6 The light distribution curve of totally asymmetric lens: Curve C0-C180 and C90-C270 are along and perpendicular to the road direction, respectively

在光學模擬軟件導出IES文件后，可利用照明設計軟件DIALux進行道路模擬分析。DIALux的各項參數設置如下：安裝高度為5.5米，燈桿間距12米，懸挑長度為0米，仰角為15°，燈具總光通量為5000lm，燈具排列方式為雙排相對布燈。選用瀝青R3路面進行照明仿真，仿真結果如圖7所示。模擬結果顯示，照度均勻度UE，亮度總均勻度Uo，亮度縱向均勻度UL分別為0.88、0.86和0.91，遠高于國家標準要求的0.4、0.4和0.7；眩光限制閾值增量也優于國家標準要求10[9]。

圖7 全偏光透鏡模型的道路場景仿真結果Fig.7 The simulation result of the road scene with the totally asymmetric lens

另外，模擬結果顯示路面的平均照度Eavg和平均亮度Lavg分別為49 lx和2.37 cd/m2，根據照度亮度比的計算式，可算出照度亮度比R[10]:

(3)

此R值在《公路隧道通風照明設計規范JTJ 026.1—1999》的推薦值范圍(15～22lx·m2·cd-1)之內，符合節能標準。由于隧道對周邊照度系數沒有要求，本工作未對此參數進行優化[11]。

2 結論

本文運用非成像光學理論，基于LED能量網格劃分設計了一款全偏光的LED隧道燈透鏡。不同于傳統燈具中沿道路行駛方向的配光為對稱分布的配光方向，本工作通過結合考慮道路照明設計中照度均勻度、亮度均勻度以及眩目閾值增量等要求，對LED的原始光強分布與目標面進行合理地對應，設計出適合隧道環境應用的透鏡。該透鏡抑制了燈具逆向傳播方向的發光角度和強度，以減少對駕駛員的眩目效果；同時增大了正向傳播方向的角度和光強，以達到照度和亮度均勻度的目的。在照明分析軟件DIALux的驗證中，實現了UE=0.88，UO=0.86，UL=0.91，TI=6的照明效果。研究結果顯示，全偏光的LED隧道燈透鏡設計十分適合于隧道照明應用。

[1] 鄒吉平，李麗，解全花，等.LED道路照明燈具配光設計的誤區分析——照度均勻性并非亮度均勻性[J].照明工程學報，2009，20(S1)：46-52+58.

[2] 劉磊實.城市道路照明設計中失能眩光的計算與控制[J].照明工程學報，2008，19(01)：77-80.

[3] 北京照明學會照明設計專業委員會.照明設計手冊(第2版)[M].北京:中國電力出版社，2006.

[4] A. J. W. Whang, Y. Y. Chen and Y. T. Teng. Designing uniform illumination systems by surface-tailored lens and configurations of LED arrays[J]. Journal of Display Technology, 2009, 5(3):94-103.

[5] F. Chen, K. Wang, Z. Qin, D. Wu, X. B. Luo, S. Liu. Design method of high-efficient LED headlamp lens[J]. Optics Express. 2010,18(20):20926-20938.

[6] 史永勝，買迪，寧磊.實現道路均勻照明的LED自由曲面透鏡設計方法綜述[J].照明工程學報，2010，21(05)：73-77.

[7] 王愷.大功率LED封裝與應用的自由曲面光學研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

[8] 石智偉，閆國棟，鄧國強，等.面向LED擴展光源的新型反饋修正設計方法[J].照明工程學報，2013，25(04)：85-89.

[9] 中華人民共和國行業標準.CJJ45—2006城市道路照明設計標準[S].中華人民共和國建設部，2006.

[10] 鄒吉平，王健.LED道路照明燈具配光設計的誤區分析——矩形配光無法滿足道路照明[C].福州：經濟發展方式轉變與自主創新——第十二屆中國科學技術協會年會，2010.

[11] 中華人民共和國交通部.JTJ 026.1—1999公路隧道通風照明設計規范[S].中華人民共和國交通部，2006.