低眩光對稱式LED路燈光學設計

陶 曾,王 敏,黃勝邦,徐 雯,王 芬,夏 兵

(福建師范大學 光電與信息工程學院光子技術福建省重點實驗室，福建 福州 350007)

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低眩光對稱式LED路燈光學設計

陶 曾,王 敏,黃勝邦,徐 雯,王 芬,夏 兵

(福建師范大學 光電與信息工程學院光子技術福建省重點實驗室，福建 福州 350007)

給出一種低眩光對稱式LED照明路燈的光學設計方案。通過對LED路燈的光學結構和燈具配光效果進行研究，利用自由曲面設計出外形類似花生米的LED路燈光學透鏡，得到蝙蝠翼型的配光曲線。同時，調(diào)整LED單元數(shù)量和陣列的排列方式，通過光學模擬軟件進行仿真，從而達到低眩光、高均勻的矩形配光。其中平均照度Eav為30.96lx，均勻度Emin/Eav為0.83，出光率為92.3%。

光學設計；LED路燈；自由曲面；蝙蝠翼型配光曲線；均勻矩形照明

引言

隨著LED路燈技術的發(fā)展，其發(fā)光效率逐步提高，使得LED路燈的應用市場更加廣泛。然而，LED路燈在技術上還不夠成熟，如：LED路燈照射過于集中，均勻度差；眩光嚴重；本身重量偏大，不利于安裝,防風；散熱問題不易解決等。

目前市場上的LED 路燈光源的光強分布均為朗伯型分布[1]，若未經(jīng)過一定的配光設計，LED 路燈照射在道路上的光將呈圓形光斑，這將導致其照度均勻度較差，并造成靠近LED路燈桿的下方的亮度比較高，兩根燈桿之間容易出現(xiàn)暗區(qū)。此外，LED路燈照射的光約有50%[1]散落在道路之外，沒有被充分利用起來，還會產(chǎn)生眩光影響車輛或行人，無法滿足道路照明的要求。本文通過結構設計、光學軟件仿真反復修改設計出一種更完善的LED路燈光學透鏡它具有良好的實際應用價值。

1 光源主要參數(shù)性能選取

1.1 燈具的選擇

一般情況下，根據(jù)光強分布把道路照明燈具分為三類(表1)[2]。

根據(jù)CJJ 45—2006《城市道路照明設計標準》[2]可知半截光型燈具可獲得較高的路面亮度與亮度均勻度，對水平光線有一定程度的限制，同時橫向光線也有一定程度的延伸，所以選擇半截光型作為本次設計的燈具。

表1 道路照明燈分類Table 1 Road light classification

1.2 配光曲線的選擇

通過調(diào)整路燈LED(單元)數(shù)量的多少來滿足平均亮度或平均照度指標；通過路燈的配光方案來實現(xiàn)均勻度指標。使光線盡可能投射到被照的路面區(qū)域，獲得符合道路照明要求的光強分布。矩形光斑是路燈配光的最好選擇。因為在燈桿之間的距離較長的情況下，“蝙蝠翼”配光的LED路燈燈具可以將光照射到大約為桿距一半的距離，形成兩燈之間的光交叉，避免兩燈之間出現(xiàn)暗區(qū)，可以更好地滿足對路面亮度和照度的要求。LED路燈配光曲線表達式[4]為Iθ=I0/cos3θ。

1.3 透鏡的選擇

本次LED路燈設計選擇“花生米”型的光學透鏡結構是因為一般路燈照明為圓形光斑，它存在著明顯差異亮暗區(qū)，使得路面上無法形成較好的光斑均勻度，造成遠處的車輛眩光問題，從而引發(fā)了事故。使用“花生米”型光學透鏡的設計既能夠得到較好的蝙蝠翼形的配光曲線，又可以在路面上形成較好的矩形光斑，并且達到較好的均勻度。

2 初始設計方案

本次設計的LED路燈對象是次干路，表2列出了其各項城市道路照明標準。

表2 城市次干路照明設計標準Table 2 design standard of city secondary trunk road

燈具的懸挑長度不宜超過安裝高度的四分之一，燈具的仰角不宜超過15°。由眩光限制配光要求以及道路路面照度、亮度要求的綜合考慮，本次設計中LED路燈的仰角取10°(表3)。雙側對稱式LED路燈布置不僅美觀，而且照度均勻性比單側布燈好，更適合較寬道路的特點，所以本次設計選擇雙側對稱式LED路燈布置。

表3 道路設計方案Table 3 design plan of the road

由120顆1W、100lm規(guī)格的LED單元陣列混聯(lián)而構成LED路燈；根據(jù)LED光源的發(fā)光特性及城市道路照明的基本要求，本設計采用8×15陣列方式。

對“花生米”型光學透鏡進行測繪，利用Pro-e三維結構軟件繪制結構如圖1所示，利用TracePro光學仿真軟件進行仿真后的結果如圖2所示。

圖1 初始透鏡結構Fig.1 Initial structure of lens

通過TracePro光學軟件對初始LED路燈透鏡結構進行仿真，觀察分析光照度圖可知，最大值為0.3244lx，平均值為0.083lx，均勻性較差；由配光圖可以看出配光效果呈扇形，效率只有54%。因此，所測繪出的透鏡參數(shù)不僅達不到設計要求，還沒有辦法滿足CJJ 45—2006《城市道路照明設計標準》。

圖2 仿真分析參數(shù)Fig.2 Parameter of simulation analysis

3 改進方案

經(jīng)過不斷仿真和分析可知，構成“花生米”型透鏡的其中三條自由曲線(如圖3所示)對仿真效果有很大的影響，因此，對它們進行反復修改和仿真，最終將得到滿足設計目標和城市道路指標的路燈透鏡結構。最優(yōu)LED路燈“花生米”型的光學透鏡結構如圖4所示。

圖3 透鏡結構的左視圖Fig.3 Left view of the lens

圖4 最終透鏡結構Fig.4 Final structure of lens

4 路燈設計

4.1 單顆LED模擬設計

利用TracePro光學軟件對單顆LED(1W、100lm)仿真的結果如下所示：

由圖5分析計算可知：Emin/Emax=0.12/0.43=0.30；照度均勻度Emin/Eav=0.12/0.14=0.86；平均照度Eav=0.14lx。

由圖6、圖7可知，單顆LED光源的光效=83%；發(fā)光角在100°到120°之間；配光曲線呈“蝙蝠翼”型。綜上指標，皆滿足城市照明要求。在盡可能地減少反向光輸出的情況下，通過仿真所設計出的透鏡得到它的光輸出情況如圖8所示，它的出光率=1-7.7%=92.3%。

4.2 道路規(guī)格模擬設計

采用120顆LED裝配路燈，設置光學軟件參數(shù)為一百個計數(shù)點，一萬條光線，平滑度為六十，經(jīng)過仿真得到光照度圖、功率密度圖和配光圖如圖9～圖11所示。

圖5 光度學圖Fig.5 Picture of photometry

圖6 功率密度圖Fig.6 Picture of power density

圖7 配光圖(A—0.0；B—90.0)[W/sr]Fig.7 Picture of light distribution (A—0.0；B—90.0)[W/sr]

圖8 出光圖Fig.8 Picture of glaring

由圖9可以得到Emin/Emax=25/64=0.39；照度均勻度=Emin/Eav=25/30=0.83；平均照度Eav=30.96lx。設計結果與標準比較見表4。

由圖10可知：功率密度最小值=7.0×10-9W/m2,功率密度最大值=0.64W/m2,照明功率密度(LPD)=功率密度平均值=0.30W/m2。

由圖11得到LED路燈的效率可以達到74%，經(jīng)過鍍膜以后的透鏡，它的效率將會提高。

5 總結

本文通過對路燈光學結構以及燈具的配光特性進行研究，用三維結構軟件ProE設計并繪制出LED路燈的光學透鏡結構，并經(jīng)過LED面陣排列、TracePro軟件對其進行光線仿真來模擬路面的光照情況，得到光度圖和配光曲線。通過不斷地檢測與修正，最終得到較理想的低眩光、較好的均勻度的LED路燈光學系統(tǒng)；并在后期利用ProE進行對LED對稱式路燈的光學結構和道路建模，獲得較好的LED對稱式路燈方案。

圖9 120W LED路燈光照度圖Fig.9 Picture of 120W LED streetlight illumination

圖10 120W LED路燈功率密度圖Fig.10 Picture of 120W LED streetlight power density

圖11 120W LED路燈配光圖Fig.11 Picture of 120W LED streetlight light distribution

指標平均照度Eav/lx照度均勻度Emin/Eav功率密度值/W/m2標準80.35<0.70設計結果30.960.830.30

[1] 蔣金波，杜雪，李榮彬.LED路燈透鏡的二次光學設計介紹[J].照明工程學報，2008，19(4)：59-65.

[2] 中華人民共和國建設部.CJJ45—2006城市道路照明設計標準[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[3] 楊光.大功率發(fā)光二級管(LED)路燈配光方案[J].光源與照明，2009，12，(4)：17-21.

[4] 羅元，毛建偉.LED路燈配光方案研究[J].燈與照明，2011，35(2)：43-46.

[5] 陳曉華，劉偉.LED照明——道路燈具[J].照明工程學報，2009，20(增刊)：130-134.

Optical Design of Low Glare Symmetric LED Street Light

Tao Zeng, Wang Min, Huang Shengbang, Xu Wen, Wang Fen, Xia Bing

(FujianProvincialKeyLabofPhotonicTechnology,CollegeofPhotoelectricandInformationEngineering,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China)

This paper presents an optical design of low-glare symmetric LED street lamp. Through the study of optical structures and light distribution effects of LED street lamps, its optical lens is designed into peanuts liked shape by using free-form surface. Then we get the bat wing light distribution curve. Meanwhile, the volume and array of LED are adjusted and simulated by optical simulation software, so as to achieve a low-glare, high uniformity rectangular light distribution. The average illuminanceEavis 30.96 lx, evennessEmin/Eavis 0.83, and the light extracting rate is 92.3% .

optical design; LED street light；freefrom surface；light distribution；even illumination

TN923.34

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.017