引言

近年来, 随着科技的进步, 新能源技术与大功率LED照明系统相结合, LED路灯的能效、照明均匀度等性能与高压钠灯(HPS)为主的传统路灯相比都有了质的飞越。LED灯具开始广泛应用于道路照明等各类场景, 但由于产业发展的良莠不齐, 市面上在售的路灯均以照度均匀为设计指标。国际照明委员会早在1977年出版第12.2号文件以来, 北美各国的道路照明系统标准均以等亮度作为道路照明指标, 显然在售的路灯设计已无法满足道路照明的实际需求。基于这些问题, 本文着手设计了一款等亮度LED路灯透镜, 并设计了一款全新的模块化灯具结构。

1 设计方法及结果分析 1.1 光学系统设计与数学建模

LED灯具实质上是一个复杂的光学系统, 进行照明设计^[1-2]时需分析光源芯片的光线传导过程, 充分考虑目标平面的光能量分布。图 1所示为光传播原理, 入射光线与透镜自由曲面交于一点L(x, z), 透镜的材料与折射率决定了透镜的透光率、出射光与透镜的夹角等, 经过数学推导得到自由母线的偏微分方程。

假设出射光与外表面法线成角度α₁, 与目标受照面成角度α₂, 透镜与光源间为空气间隙, 透镜与空气折射率分别为n和1, 设m₂为法线斜率, tanΦ₂和tanΦ₃分别为入射光线和折射光线的斜率, 则

(1)

(2)

(3)

令

(4)

(5)

(6)

将α₁、α₂代入A₁、A₂, 可得

(7)

进行数学推导, 可将式(7)的m₂、Φ₂、α₃表示为

(8)

(9)

则可得自由曲面母线的偏微分方程为

(10)

本设计考虑到光能的利用率问题, 将路灯的纵向配光设计成对称分布, 并且纵向配光的单侧控光范围为路灯间距的一半, 横向配光呈非对称分布, 并且光强较大方向偏向于道路中心线。为了满足两个方向的光束要求, 所设计的透镜是一个纵向对称、横向偏心的不规则曲面透镜^[3-6]。

横向配光的中心光强越接近矩形区域的中心线越好, 在突出路沿为0.3 m的情况下, 计算路灯的横向偏心角。设偏心角为α, 突出路沿S=0.3 m, 灯杆高度H=12 m, 则

(11)

所以C90°~270°需要光强偏角至少为16.04°。

计算C0°~180°方向的峰值光强角。由于两灯杆相距35 m, 所以路灯的纵向配光单侧控光范围为17.5 m, 设峰值光强角为β, 则

(12)

故峰值光强夹角应大于111.12°。计算以上两个角度可知配光曲线的大致形状。

设计透镜采用聚碳酸酯(PC)材料, 其折射率为1.59, 设发生全反射的临界角为C, PC材料的折射率为n₁, 空气折射率为n₂, 则

(13)

根据计算所得数据进行光线理论分析, 代入式(2)~(10)的自由曲面母线偏微分方程, 并进行MATLAB编程, 拟合生成LED透镜的母线。将所得母线导入建模软件SolidWorks, 结合光学软件TracePro、DIALux进行优化分析, 最终得到透镜结构如图 2所示。

1.2 软件模拟评估 1.2.1 光线模拟

设计所用光源为CREE公司官网下载的XPG光源, 定义档案光源, 附加25万条光线, 设置波长为0.546 1, 进行光线追迹, 观察配光曲线图, 如图 3所示。

采用TracePro模拟分析透镜模型, 在12 m处设置一块长宽分别为80 m的薄片作为接收面, 接收面设置为完全吸收, 将透镜材料设置为PC, 光源光线数设置为250 000条, 将分析单位由辐射度学单位改为光度学单位, 然后进行光线追迹, 如图 4所示。

1.2.2 配光曲线模拟

该配光与传统的蝙蝠翼型配光有所不同, 若路面上的漫反射系数为1时, 可以用蝙蝠翼型配光, 但是实际的道路中都同时存在这两种反射。由于路灯下中间点的镜面反射最大, 为了提高亮度均匀性, 应该增加中间点光强, 所以配光曲线^[7-8]应设计为图 5所示形状。

将光源的IES文件直接导入DIALux软件中, 建立道路场景, 进行模拟仿真, 道路所设定参数与前文设定一致, 得到道路照明效果如图 6所示。

可见光源未经配光时在路面上会产生圆形光斑, 易造成路面阴影, 形成斑马效应, 增加驾驶员的疲劳程度, 不利于夜间出行。

将TracePro中生成的配光曲线导入DIALux中进行道路模拟。图 7为配光后的道路3D视图, 灯具为双侧对称布置, 设置灯杆高度为12 m, 灯杆间距为35 m, 进行照明计算, 结果如表 1所示。

综合以上结果可得, 该设计的7项照明指标均满足国家标准中的规定值, 如表 2所示。

此次设计各项指标都符合标准, 路灯透镜设计基本符合要求, 完全满足照明要求。

1.3 模块化结构设计

传统LED路灯主要存在以下几个问题^[9]:1)灯具的外框固定, 该灯具所能安装的模块数量上限也固定, 导致该灯具使用范围固定, 无法满足不同的照明场景需求; 2)普通灯具的LED照明模块共用一个驱动电源, 一旦电源出现问题将导致整灯无法工作; 3)普通灯具一旦某个模块出现问题, 就必须替换整灯, 维护麻烦。

为了解决上述问题, 设计了一种全新的模块化结构。如图 8所示, 从左到右依次为模块拆解后的零部件:印刷电路板(PCB)、路灯透镜、散热器、电源箱盖板。

设计可扩展连接装置, 使灯具的模块数量可变。分析不同道路的照明需求, 可以通过增加或减少照明模块的数量来满足不同亮度需求。设计每个LED照明模块拥有独立电源从而能够独立工作, 不同模块间并联。最后, 通过整体结构、电路设计, 使每个模块单独工作并且拆装方便, 不同模块之间的连接如USB拔插一般方便。一旦其中个别模块出现问题, 只需将其用新模块替换即可, 无需整灯替换, 降低维护难度, 提高维护效率。将上述零部件组装成照明模块和整灯后, 模块化LED路灯整体结构如图 9所示。

2 结论

本文针对传统LED路灯存在的问题, 首先通过光学理论分析推导得到LED透镜的母线偏微分方程, 将该方程进行MATLAB编程后得到LED透镜的母线, 导入建模软件SolidWorks, 应用TracePro软件进行光学模拟追迹分析, 结合CAD软件优化, 得到了出光效果亮度均匀性较好的透镜。设计的等亮度路灯的指标为:平均亮度1.76 cd/m², 总均匀度0.82, 纵向均匀度0.77, 阈值增量9, 周边照度系数0.87。使用DIALux进行照明方案的模拟, 分析模拟结果进一步验证了之前的优化设计结果。最后针对市场上LED路灯存在的结构问题, 设计了全新的模块化LED路灯结构, 得到一款模块化等亮度的LED路灯。