常见问题

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。

图1 边缘光线传播原理
Fig.1 Spreading of edge rays

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,tan Φ2和tan Φ3分别为入射光线和折射光线的斜率,则

令

将α1、α2代入A1、A2,可得

m2=(nktan Φ2-sin Φ3)/(ncos Φ2-cos Φ3)

(7)

进行数学推导,可将式(7)的m2、Φ2、α3表示为

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。

图2 透镜模型图
Fig.2 Model of lens

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。

图3 光源配光曲线
Fig.3 Light distribution

图4 光线追迹图
Fig.4 Ray tracing

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。

图5 配光曲线图
Fig.5 Light distribution

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。

图6 未配光的3D视图
Fig.6 3D view without light distribution

图7 配光后的3D视图
Fig.7 3D view with light distribution

表1 照明计算结果
Tab.1 Lighting calculation results

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。

表2 配光后的照明指标值
Tab.2 Lighting index values

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。

图8 LED路灯照明模块零部件拆解图
Fig.8 Components in LED street lamp module

图9 模块化LED路灯整体结构示意图
Fig.9 Integral structure of modularized LED street lamp

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。