LED隧道燈透鏡的全偏光設(shè)計
發(fā)布時間：2020-12-25 11:02????瀏覽數(shù)：：
隨著國內(nèi)的環(huán)境污染問題日益突出，節(jié)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(jié)能、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在室內(nèi)、戶外以及特殊照明上。
目前大多數(shù)的 LED 屬于 (近) 朗伯型光源，為了使 LED 的發(fā)光分布符合實際應(yīng)用，需要對LED進(jìn)行二次配光。現(xiàn)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(qiáng)，被廣泛應(yīng)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(shù)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(jìn)方向為對稱分布，而垂直于車輛行進(jìn)方向為非對稱分布
圖1 傳統(tǒng)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(qiáng)分布
隨著道路照明設(shè)計的不斷發(fā)展，道路配光的評價標(biāo)準(zhǔn)從過去的照度均勻逐漸發(fā)展成為以亮度均勻為主，照度均勻為輔。配光曲線反映了燈具在空間某個截面上光強(qiáng)與發(fā)光角度的關(guān)系。一個理想的配光曲線的設(shè)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(shù)，使路面照度、亮度以及閾值增量等評價道路照明質(zhì)量的參數(shù)指標(biāo)都符合標(biāo)準(zhǔn)，并達(dá)到高效、健康和節(jié)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(jìn)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(yīng)對駕駛員的影響。
全偏光LED透鏡的設(shè)計
設(shè)計原理
道路配光設(shè)計的目的是為駕駛員提供舒適的照明環(huán)境，保證道路交通安全。在不同的道路環(huán)境中，要有相對應(yīng)的配光設(shè)計，其中隧道是一個特殊的道路照明環(huán)境。在大多數(shù)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(gòu)成了駕駛員的視覺效果，如圖 2 所示。隧道燈具的配光設(shè)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(fā)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(chǎn)生反射光，形成路面亮度; 小角度的逆向傳播光線產(chǎn)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(chǎn)生眩目。光幕的影響越大，人眼對物體的分辨能力就越弱。
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(shè)計標(biāo)準(zhǔn) CJJ45—2006》規(guī)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/㎡ ～ 5cd/㎡的情況下，可用以下公式計算: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(shù); K 為年齡系數(shù)，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(wǎng)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(qū)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(qiáng)值以降低 TI 值
從道路照明質(zhì)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。“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(fā)光角度過大。增大燈具的縱向發(fā)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(guān)系。
不同于傳統(tǒng)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(dāng)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(qū)域內(nèi)，亮度是由主要相鄰的兩個燈具的光線引起的，非對稱設(shè)計相對于對稱配光設(shè)計來說，亮度均勻的優(yōu)化設(shè)計就增加了一個自由度。
設(shè)計方法
全偏光 LED 隧道燈透鏡的設(shè)計思路為: 首先把LED 光源發(fā)出的能量半球劃分為若干份能量單元，接著把目標(biāo)平面劃分為若干份面積單元，最后根據(jù)光學(xué)擴(kuò)展量守恒定律、折射定律以及邊緣光學(xué)原理，建立起能量單元與面積單元之間的能量對應(yīng)關(guān)系，并計算出生成自由曲面透鏡模型所需要種子線的坐標(biāo)。把種子線導(dǎo)入 Solidworks 等三維設(shè)計軟件里即可生成所需要的透鏡模型。這種基于能量網(wǎng)格劃分的透鏡設(shè)計方法已被廣泛應(yīng)用在 LED 配光設(shè)計中。光源能量和目標(biāo)平面的劃分如圖4所示。
LED的半球面發(fā)光情況使用角度 (u，v) 來表示，如圖 4 (1) 所示。其中 O 點(diǎn)位于LED發(fā)光的中心，并且光強(qiáng)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(yīng)著目標(biāo)平面區(qū)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:
式 (2) 表示把 LED 的半球面總的光能量 Φ 劃分為M × N 份，每一份的能量為能量為能量單元與目標(biāo)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(jìn)行能量等份劃分，而對于目標(biāo)區(qū)域 (如車道)則通過調(diào)整面積單元 (Δx，Δy) 的大小來進(jìn)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(qū)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(shè)計方法可實現(xiàn)LED的偏光控制，其詳細(xì)的分析與計算過程可參考相關(guān)文獻(xiàn)。這種把LED的圓形發(fā)光劃分為矩形網(wǎng)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(fā)光的空間角度表示，(2)、(3) LED 發(fā)光球面上能量單元與目標(biāo)面上面積單元的對應(yīng)關(guān)系
自由曲面透鏡的關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)是通過科學(xué)計算軟件 Matlab 程序把上述的設(shè)計思路轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語言計算出來的，通常直接出來的坐標(biāo)點(diǎn)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(diǎn)光源，然后利用光學(xué)中的折射定律進(jìn)行自由曲面求解。然而，實際 LED 的發(fā)光面相對于透鏡來說尺寸較大，這會造成計算結(jié)果有誤差。另外，LED 的光強(qiáng)分布通常也不是理想的朗伯分布，即 LED 的光強(qiáng)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(diǎn)的計算是以前一個點(diǎn)作為參考，所以種子線會出現(xiàn)計算的累積誤差。最后，道路照明應(yīng)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(dāng)?shù)木W(wǎng)格調(diào)制因子以修正誤差，并能量分布滿足道路照明的亮度均勻性需要。
設(shè)計實例及結(jié)果分析
基于上述算法，本實例設(shè)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(fā)光效率最高可達(dá)130lm/W。透鏡的三維模型如圖 5 (1) 所示，圖 5(2) 為用于構(gòu)造三維模型所設(shè)計的種子線。
圖5(1) 全偏光透鏡的三維模型，(2) 用于構(gòu)造三維模型所設(shè)計的種子線
利用Tracepro等光學(xué)模擬軟件對透鏡模型與Luxeon T 光源進(jìn)行光學(xué)模擬。設(shè)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(qiáng)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(qiáng)分布。
在光學(xué)模擬軟件導(dǎo)出 IES 文件后，可利用照明設(shè)計軟件 DIALux 進(jìn)行道路模擬分析。DIALux 的各項參數(shù)設(shè)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(jìn)行照明仿真，仿真結(jié)果如圖 7 所示。模擬結(jié)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(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的 0. 4、0. 4 和 0. 7; 眩光限制閾值增量也優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)要求。
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(qiáng)分布 圖7 全偏光透鏡模型的道路場景仿真結(jié)果
另外，模擬結(jié)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(jù)照度亮度比的計算式，可算出照度亮度比R:
此 R 值在 《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計規(guī)范 JTJ026. 1—1999》 的推薦值范圍 (15～22lx · m2·cd-1) 之內(nèi)，符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。由于隧道對周邊照度系數(shù)沒有要求，本工作未對此參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
編后語
本文運(yùn)用非成像光學(xué)理論，基于LED能量網(wǎng)格劃分設(shè)計了一款全偏光的LED隧道燈透鏡。不同于傳統(tǒng)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(jié)合考慮道路照明設(shè)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(qiáng)分布與目標(biāo)面進(jìn)行合理地對應(yīng)，設(shè)計出適合隧道環(huán)境應(yīng)用的透鏡。該透鏡抑制了燈具逆向傳播方向的發(fā)光角度和強(qiáng)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(qiáng)，以達(dá)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(xiàn)了UE= 0. 88，UO=0. 86，UL=0. 91，TI=6的照明效果。研究結(jié)果顯示，全偏光的 LED 隧道燈透鏡設(shè)計十分適合于隧道照明應(yīng)用。
