大功率LED路燈二次光學(xué)設(shè)計(jì)的模擬仿真

王敏帥，黃曉菁，蔡曉梅　，楊　蘭，鄭　凱，王興焱

(集美大學(xué)理學(xué)院,福建 廈門 361021)

?

大功率LED路燈二次光學(xué)設(shè)計(jì)的模擬仿真

王敏帥，黃曉菁，蔡曉梅，楊蘭，鄭凱，王興焱

(集美大學(xué)理學(xué)院,福建 廈門 361021)

[摘要]以大功率LED路燈配光問題為研究對象，將二次光學(xué)設(shè)計(jì)和蒙特卡羅研究方法相結(jié)合，提出大功率LED路燈的配光設(shè)計(jì).通過tracepro仿真實(shí)驗(yàn)，得到了大強(qiáng)度光通量和高匹配光場的大功率LED路燈二次光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果.采用凹槽填涂增反膜的多顆LED路燈相比同樣輸入功率的弧形底面多顆LED路燈提高1.36倍，而且空間光場分布更合理，出光集中在±15%.

[關(guān)鍵詞]大功率;LED路燈；二次光學(xué)設(shè)計(jì)； 優(yōu)化;模擬

0引言

目前，路燈光源以高壓氣體放電燈為主，包括高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等，同時(shí)鹵鎢燈、熒光燈、低壓鈉燈等也在廣泛使用.盡管高壓鈉燈的使用已經(jīng)相當(dāng)普遍，但高壓鈉燈的低效率、高能耗、光污染等問題仍較為突出.隨著近年來人們環(huán)保意識的增強(qiáng)以及能源緊缺的現(xiàn)實(shí)，建立一個(gè)優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)、舒適、安全可靠、有益環(huán)境的照明系統(tǒng)就成為照明領(lǐng)域的發(fā)展趨勢.大功率LED以定向發(fā)光、功耗低、驅(qū)動性好、響應(yīng)速度快、使用壽命長、綠色環(huán)保等優(yōu)勢逐漸走進(jìn)人們的視野，成為目前世界上最具有替代傳統(tǒng)光源的新一代節(jié)能光源.當(dāng)前，市面上單顆LED光源實(shí)際已經(jīng)可以做到了每瓦100流明，采用傳統(tǒng)250瓦鈉燈作光源的路燈，用LED光源代替之后，只需要60多顆LED就可以產(chǎn)生相同的亮度，從而極大地節(jié)省了能源的消耗.大功率LED已經(jīng)逐步取代傳統(tǒng)照明，成為商業(yè)照明的新核心.尤其是大功率LED在路燈上的應(yīng)用，已經(jīng)成為城市照明的重要組成部分.因此，大功率LED路燈成為道路照明節(jié)能改造的最佳選擇[1-4].本文采用二次光學(xué)設(shè)計(jì)和蒙特卡羅研究方法相結(jié)合，并利用Tracepro光學(xué)仿真軟件，對大功能LED路燈進(jìn)行模擬設(shè)計(jì)與仿真.

1設(shè)計(jì)方法

1.1　TracePro軟件設(shè)計(jì)

TracePro仿真軟件是一款基于蒙特卡羅法(Monte Carlo)的非序列光線追跡軟件(Non-Sequential Ray Tracing)，為美國Lambda Research公司開發(fā)，主要用于照明設(shè)計(jì)和雜散光分析.TracePro通過實(shí)體對象來構(gòu)建光路系統(tǒng)，同時(shí)通過計(jì)算反射、折射、吸收等行為來模擬光線與實(shí)體表面的作用，在LED一次和二次配光設(shè)計(jì)中占有重要地位[5-7].

TracePro使用上只要5步：1)建立幾何模型；2)設(shè)置光學(xué)材質(zhì)；3)定義光源參數(shù)；4)進(jìn)行光線追跡；5)分析模擬結(jié)果.圖1為Tracepro軟件設(shè)計(jì)的流程圖.

Tracepro模擬路燈的過程：

1)確定LED光源數(shù)目，設(shè)計(jì)LED燈的布燈方式；

2)加反射器或折射器，放置光源在合適的位置；

3)進(jìn)行照明計(jì)算，包括被照面上光照度的計(jì)算，空間各點(diǎn)光強(qiáng)的計(jì)算和總的光通量的計(jì)算等.首先計(jì)算光通量，通過tracepro的軟件模擬，可以得到輻照到被照面上的光線追蹤情況，通過光線的條數(shù)計(jì)算總的光通量.再通過公式(1)：

(1)

將光通量的數(shù)值除以發(fā)光角度的數(shù)值，就可以得到空間個(gè)點(diǎn)的光強(qiáng)了.式(1)中：dω為某一發(fā)光方向的立體角；dΦ為這個(gè)立體角內(nèi)的光通量；α是光源的發(fā)射半角.

4)檢查燈具的配光中的各項(xiàng)參數(shù)(包括光通量、光束角度、功率、燈具效率)是否滿足預(yù)定要求；

5)如未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，針對配光曲線中尚未滿足要求的參數(shù)，再次進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并重新計(jì)算，反復(fù)修改；

6)通過4)、5)兩步驟得到優(yōu)化后的設(shè)計(jì)結(jié)果，包括燈具配光參數(shù)中的反射結(jié)構(gòu)參數(shù)和布點(diǎn)參數(shù)，燈桿參數(shù)中的燈桿高度、挑臂長度、燈具傾斜角度等；

7)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評估，確定結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)后，對燈具進(jìn)行安裝調(diào)試并驗(yàn)收.

1.2　設(shè)計(jì)原理與數(shù)學(xué)模型

首先在LED路燈的使用過程中，由于其尺寸相比距離路面的高度很小，所以可以把LED光源看作點(diǎn)光源，單位受光面積上所接收的光通量稱為光照度，符號為E，單位為勒克斯(lx).光照度E可由下式表示：

(2)

其中：I0是LED光軸法向光強(qiáng)；dS為光軸法向單位面積；θ為LED發(fā)光面與路面夾角；r為點(diǎn)光源距路面距離.LED法向光強(qiáng)與發(fā)光角度的關(guān)系如式(1)，由此可知，LED光軸上的光強(qiáng)要比較大，3 W白光LED光軸上的光強(qiáng)為1 W白光LED的2～3倍.可以根據(jù)式(1)、(2)進(jìn)行計(jì)算和仿真，將1 W大功率白光LED設(shè)置為光源，得到各種模型的光強(qiáng)數(shù)據(jù)和光場數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行分析.

1.3　結(jié)構(gòu)模型

1.3.1單顆大功率LED路燈結(jié)構(gòu)

大功率LED路燈主要由 LED 芯片、反射杯、熱沉、樹脂透鏡等部分組成.確定LED光源數(shù)目，設(shè)計(jì)LED路燈的布燈方式，每組LED的總光通量為1 W，并進(jìn)行發(fā)光模擬.單顆1 W大功率LED路燈，如圖2a稱為LED模型1.

1.3.2多顆大功率LED路燈結(jié)構(gòu)

本文同時(shí)也進(jìn)行了多顆LED構(gòu)建大功率的路燈模擬實(shí)驗(yàn)，如圖2b—圖2d所示.圖2b為多顆構(gòu)成的大功率LED(稱為LED模型2)，可以根據(jù)它的圖形稱為草帽型多顆LED路燈.圖2c、圖2d為其他不同形狀的多顆LED路燈模型，分別稱為LED模型3和模型4.

2結(jié)果與討論

首先對不同反射結(jié)構(gòu)和燈具參數(shù)的1 W大功率LED路燈的路面光輻射量進(jìn)行計(jì)算仿真，并將結(jié)果對比分析.固定燈桿高度為3 m，分別設(shè)置反射結(jié)構(gòu)為拋物面、平面、半球面、橢圓面，同時(shí)讓燈具的傾斜角度在10°~50°范圍內(nèi)變化.在10 m×10 m的地面范圍內(nèi)采集光輻射量，數(shù)據(jù)見表1.

表1　不同反射結(jié)構(gòu)、燈具傾角的1 W大功率LED路燈的光輻射量

從表1可以看出，對這4個(gè)不同反射結(jié)構(gòu)的路燈，當(dāng)燈具的傾斜角度增大時(shí)，光輻射量在逐漸降低.這是因?yàn)閮A斜角度的不斷增加，LED路燈在地面的投射面積也不斷地?cái)U(kuò)大，路面上的平均光輻射度相對于小角度投射時(shí)愈來愈小.而另一方面，當(dāng)對比相同角度時(shí)，平面反射結(jié)構(gòu)獲得的光輻射量較大，拋物面反射結(jié)構(gòu)次之.從對光線的會聚功能看，拋物面的會聚作用應(yīng)該是最好的，其次是半球面、橢圓面等.而平面的反射結(jié)構(gòu)從形式看即是芯片的反射罩四周都是平面的.從結(jié)果看，平面反射結(jié)構(gòu)的輻射量超過曲面(拋物面等)的輻射量，一個(gè)可能原因是平面反射結(jié)構(gòu)利用了更多的光線.曲面的會聚作用其實(shí)是多次反射，會有部分光能的損失.表1中關(guān)于不同反射結(jié)構(gòu)和燈具參數(shù)的對比結(jié)果是初步的，因此本文通過以下4個(gè)1 W大功率LED路燈模型進(jìn)一步對路燈的發(fā)光強(qiáng)度、光場分布進(jìn)行分析與優(yōu)化.根據(jù)初步試驗(yàn)結(jié)果，選定20°這個(gè)燈具的傾斜角度為參考，對LED路燈的反射結(jié)構(gòu)和LED布點(diǎn)情況進(jìn)行研究.

模型1為單顆1 W大功率 LED路燈采用拋物面的反射結(jié)構(gòu)，它的發(fā)光狀態(tài)即出光角度取決于LED芯片位置和反光杯的形狀.從圖3a、b的照度分析和空間光強(qiáng)分析結(jié)果看，單顆LED路燈光強(qiáng)有些偏低(光強(qiáng)達(dá)到0.87 W)，而空間光場的角度看光線過于集中在最中心的±3%范圍內(nèi).整個(gè)的配光情況非常不好，并不適合應(yīng)用與路燈的使用，因此進(jìn)行下面幾項(xiàng)采用多顆LED進(jìn)行路燈的配光實(shí)驗(yàn).

為了更好地達(dá)到路燈照明的要求，一個(gè)簡單的方法是由多個(gè)發(fā)光二極管組合在一起形成點(diǎn)光源、面光源或者體光源.影響系統(tǒng)發(fā)光效果的主要因素有:芯片的個(gè)數(shù)以及放置的位置、透鏡和反射鏡的形狀、特性和位置.

為了滿足照明要求，LED路燈模型2采取9個(gè)LED芯片的組合，如圖2b所示.選取底面為平面，四周圍仍為拋物面的反射結(jié)構(gòu).從光強(qiáng)分布和照度分布的圖3c、d可以看出，采用拋物面做反射杯的9顆LED路燈，光強(qiáng)空間分布出現(xiàn)分叉的兩個(gè)峰，照度分布也有同樣的狀況.整體的光強(qiáng)也有些偏低(光強(qiáng)只有0.5 W，比單顆路燈光強(qiáng)降低60%)，而且從空間光場分布來說是有缺陷的，需要一定的調(diào)制才適合大功率LED路燈的配光使用.相比于模型1，模型2路燈總光強(qiáng)有所降低，光場分布略寬，而且主光強(qiáng)出現(xiàn)分岔，原因可能為多顆效率芯片的發(fā)光經(jīng)反射后出射光線分散不集中所致.

大功率LED路燈模型3由12顆LED芯片組成，具有不同于模型1、2的反射結(jié)構(gòu)，布燈方式上保持芯片的間距和模型2相同.對大功率LED模型3進(jìn)行光強(qiáng)和照明計(jì)算，包括被照面上光照度的計(jì)算和空間各點(diǎn)光強(qiáng)的計(jì)算.

圖4a、圖4b為模型3路燈的光場和光強(qiáng)分布圖，從結(jié)果看，與LED路燈模型1、2相比，不僅光強(qiáng)得到很大提高(達(dá)到1.25 W，比單顆路燈光強(qiáng)提高47%)，空間光場分布也得到極大優(yōu)化.其反射結(jié)構(gòu)為：底面是弧形，四周為平面.因?yàn)榛⌒蔚酌婧推矫嫠闹艿慕Y(jié)構(gòu)的限制使得多顆芯片出光呈現(xiàn)階梯式.

對LED路燈模型4進(jìn)行光場和照明計(jì)算.模型4的LED路燈的反射結(jié)構(gòu)為四周和底面都是平面的結(jié)構(gòu)，LED光源的數(shù)目為18顆.同時(shí)對布燈參數(shù)略作調(diào)整，將芯片間距拉大為模型2、3間距的1.2倍，同時(shí)在單顆芯片四周設(shè)置小凹槽，一方面可以增加LED芯片的散熱性能，另一方面可以對凹槽填涂增反膜增加反射.

圖4c、圖4d為模型4路燈光場和照度分布圖.從該結(jié)果可看出，模型4對光強(qiáng)提高很大，達(dá)到1.7 W，是單顆路燈光強(qiáng)的2倍，是模型3路燈光強(qiáng)的1.36倍，空間光場分布也得到極大優(yōu)化，出光集中在±15%左右.這說明，采用四周平面結(jié)構(gòu)和單顆芯片四周的微觀結(jié)構(gòu)對優(yōu)化路燈光場分布是有好處的.

3結(jié)論

本文從大功率LED路燈的二次光學(xué)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，首先將LED路燈的基本的反射結(jié)構(gòu)和燈具參數(shù)進(jìn)行初步的模擬計(jì)算，結(jié)果表明，表面平面和拋物面的反射結(jié)構(gòu)的路燈光輻射量比較高.重點(diǎn)考察了4種不同反射結(jié)構(gòu)和布燈模式的LED路燈，從中得知拋物面單顆和平底多顆LED路燈光場分布和發(fā)光強(qiáng)度并不適合實(shí)際大功率LED路燈的使用.而采用大功率LED路燈的模型3和4對路燈的光強(qiáng)的提高都較大，模型4由于其四周平面結(jié)構(gòu)和單顆細(xì)微結(jié)構(gòu)的結(jié)果最好，光強(qiáng)最高可達(dá)拋物面單顆型路燈光強(qiáng)的2倍，而且光場分布更加符合路燈的使用.

[參考文獻(xiàn)]

[1]ZHANG W,XUE J S,ZHOU X W,et al.Effect of Si doping in wells of AlGaN/GaN superlatticeon the characteristics of epitaxial layer[J].Chinese Physics B,2012,27(2):077103-077107.

[2]WU Y,ZHANG L,LIANG C,et al.Catalytic growth and photoluminescence properties of semiconductor single crystal ZnS nanowires[J].Chemical Physics Letters,2002,357(4):314-318.

[3]陳波,李偉平,黃楊程.一款LED后位燈的光學(xué)設(shè)計(jì)與仿真[J].光學(xué)儀器,2006,28(5):37- 41.

[4]李澄，李農(nóng).非成像光學(xué)應(yīng)用于LED照明研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2011,22(5):90-94.

[5]顧方嘉.日本LED照明技術(shù)的開發(fā)[J].電子世界,2007,48(4):52-53.

[6]辛迪,劉華,盧振武,等.可變視場角LED照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2013,5(5):34-37．

[7]王曉媛，奇維貴.我國城市道路照明節(jié)電技術(shù)研究與應(yīng)用[J].照明工程學(xué)報(bào)，2010(1):1- 4.

(責(zé)任編輯馬建華英文審校黃振坤)

Second Optical Design and Optimization for High-power LED Street Lamp

WANG Min-shuai，HUANG Xiao-jing，CAI Xiao-mei,YANG Lan,ZHENG Kai，WANG Xing-yan

(School of Science，Jimei University，Xiamen 361021,China)

Abstract：Studying on light distribution of high-power LED(light-emitting diode) street lamp,by combining the second optical design and monte-carlo method,we proposed optimal designs on the light distribution of high-power LED street lamp.Based on the simulation experiment of tracepro,we achieved extraordinary performance of second optical design,which is very intensive flux and high matching light field.Comparing to other LED lamp model ,LED lamp model 4 rith antireflective notch has 1.36 times more output optical power.And the light distribution is more reasonable around ±15%.

Key words：high-power；LED street lamp；second optical design；optimization;simulation

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

[中圖分類號]O 472.8；O 484.3

[文章編號]1007-7405(2015)03-0230-06

[作者簡介]王敏帥 (1982—)，男，講師，博士，從事大功率LED及其應(yīng)用研究.

[基金項(xiàng)目]福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012J01280)；福建省教育廳基金資助項(xiàng)目(2013JA13187)；集美大學(xué)科研基金項(xiàng)目(2013C613015)

[收稿日期]2014-05-25[修回日期]2014-10-09