LED 路燈光學(xué)設(shè)計(jì)與分析

邢海英 高鐵成

(1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 天津 300387 2.大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心 天津 300387)

1 引言

近年來，發(fā)光二極管（LED）技術(shù)發(fā)展迅速，特別是白光LED 技術(shù)的日趨成熟，使LED 應(yīng)用于城市道路照明得到業(yè)界越來越多的認(rèn)同[1]。LED 在城市道路照明中的應(yīng)用首先要滿足該領(lǐng)域所需的光強(qiáng)分布以及光學(xué)性能指標(biāo)的要求。LED 行業(yè)通常將LED 封裝成朗伯光源或近朗伯光源，這類光源在路面上形成的是不均勻的圓形光場(chǎng)，其中心光強(qiáng)較大，在徑向衰減很快，圖1為單純朗伯光源路面照度分布圖[2]。而道路照明系統(tǒng)需要在其被照區(qū)域形成矩形光場(chǎng)。與會(huì)有部分光散落在路面之外的圓形光場(chǎng)相比，矩形光場(chǎng)能使大部分光都分布在路面上，能提高光能的利用率。圖2a、圖2b 分別為圓形光場(chǎng)和矩形光場(chǎng)路面照明示意圖[3]。如圖2a 所示圓形光場(chǎng)照在路面上。中心亮度大而邊緣暗，若要在圓形光場(chǎng)邊緣區(qū)域也達(dá)到照度值，那么中心的照度值將會(huì)超過標(biāo)準(zhǔn)要求，如此將增加路燈的能耗；另外，圓形光場(chǎng)在路面以外的一些區(qū)域存在相當(dāng)?shù)臒o效光，也會(huì)造成一定光能的損耗。而矩形光場(chǎng)能在同時(shí)滿足對(duì)路面照明亮度、照度要求的同時(shí)，能提高光能的利用率，且有利于均勻度的提高[4]。因此，LED 路燈的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是其應(yīng)用于城市道路照明的關(guān)鍵之一。通過光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將LED 發(fā)出的光分配到所需照射的區(qū)域，獲得符合道路照明的矩形光場(chǎng)分布。

圖1 單純朗伯光源路面照度分布圖Fig.1 Illumination distribution of Lambertian source

圖2 圓形光場(chǎng)和矩形光場(chǎng)路面照明示意圖Fig.2 Schematics of circular light field and rectangular light field

針對(duì)LED 道路照明需求設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)LED芯片發(fā)出的光重新進(jìn)行分配，獲得滿足城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的矩形光場(chǎng)。在LED 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一次光學(xué)設(shè)計(jì)（一次配光）和二次光學(xué)設(shè)計(jì)（二次配光）均可獲得矩形光場(chǎng)。通常認(rèn)為，一次配光采用特定的透鏡封裝得到良好的蝙蝠翼配光曲線，獲得矩形光場(chǎng)分布，但封裝透鏡特殊通用性差[3]；二次配光對(duì)常規(guī)朗伯LED 光源采用特定二次透鏡也可得良好的蝙蝠翼配光曲線及矩形光場(chǎng)分布，但二次透鏡的使用會(huì)增加至少兩個(gè)面的菲涅爾損耗[5]。

Tracepo 是一款基于蒙特卡羅法（Montecarlo）的非序列光線追跡軟件（non-sequential ray tracing）由美國(guó)Lambda esearch 公司開發(fā)，普遍用于照明系統(tǒng)、光學(xué)分析、輻射分析及光度分析[6]。Tracepo 具有處理復(fù)雜幾何問題的能力，可定義和追蹤數(shù)百萬條光線，它以實(shí)體對(duì)象來構(gòu)建光路系統(tǒng)，并通過計(jì)算反射、折射、吸收和衍射等行為來模擬光線與實(shí)體表面的作用，能夠?qū)φ鎸?shí)場(chǎng)景進(jìn)行計(jì)算和顯示。Dialux 是一款由德國(guó)軟件公司開發(fā)的、著名的、免費(fèi)的專業(yè)照明設(shè)計(jì)軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)計(jì)的仿真和計(jì)算。對(duì)于道路照明設(shè)計(jì)，Dialux 擁有簡(jiǎn)單易用的道路建模方法，可以快速建立各種不同條件下的道路模型?？焖贉?zhǔn)確的遵照國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，輸出亮度、照度體系下全部照明評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果及圖表，并可便捷的輸出道路3D 虛擬實(shí)境圖、偽色照度或亮度效果圖等直觀的3D 仿真效果[7]。

本文利用Tracepro 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，構(gòu)建采用花生殼透鏡[5,8]進(jìn)行一次封裝的LED 模型，以及將花生殼透鏡作為二次透鏡的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，即分別進(jìn)行LED 路燈照明系統(tǒng)的一次配光和二次配光，對(duì)比分析兩種不同配光方案所得的矩形光場(chǎng)的相關(guān)光學(xué)參數(shù)；然后再利用Dialux 軟件模擬兩種不同配光方案的實(shí)際道路照明效果，比較分析哪一種配光方案更適合應(yīng)用于實(shí)際道路照明。

2 LED 光源模型建立與LED 陣列設(shè)計(jì)

2.1 LED 光源模型建立

通常單個(gè)LED 光強(qiáng)分布近似為朗伯分布，其對(duì)于裸晶和封裝透鏡為半球形的LED 是很好的近似[9]。理想情況下，所謂近似的朗伯光源，即LED 的光強(qiáng)分布為觀察角的余弦函數(shù)。但實(shí)踐中是其照度分布為觀察角余弦多次方的函數(shù)[10]，表達(dá)式如下

式中，θ為觀察角；E0(r)為軸向（θ=0°）與LED 距離為r 處的光照度值；m 值取決于芯片相對(duì)于LED 封裝透鏡曲面中心的距離。

若m≈1，則芯片位置與透鏡曲面中心一致，此時(shí)LED 光源可近似為一個(gè)完美的朗伯光源。通常LED 光源的m 值大于30，其光照度分布由中心向邊緣迅速降低。m 值通?？捎砂l(fā)光半角度θ1/2決定，m 表達(dá)式如下

若采用笛卡爾坐標(biāo)系（x,y,z）表示式（1），則照度分布公式為

式中LLED是LED 的輻射亮度（Wm-2sr-1）；ALED是LED 芯片的發(fā)光面積（m2）。

式（3）表示為距目標(biāo)平面距離為z 的光源，在目標(biāo)平面上每個(gè)點(diǎn)（x,y）處的照度。

2.2 LED 陣列設(shè)計(jì)

在本文設(shè)計(jì)工作中，同一陣列中選取LED 的m值、LLED和ALED均相同。若將LED 組成陣列，則在目標(biāo)面上某一點(diǎn)的照度分布E 將是兩LED 照度的疊加。因此，陣列設(shè)計(jì)是以消除兩LED 各自的照射區(qū)域峰值之間的照度極小值為出發(fā)點(diǎn)[9]。本文以兩個(gè)LED 組成的陣列光源為例進(jìn)行說明，其照度分布公式如下

式中，d為兩LED 的間距。

設(shè)計(jì)中通過調(diào)節(jié)d 的大小，使得與單個(gè)LED 的照射區(qū)域相比，LED 陣列的照度分布會(huì)在較大區(qū)域中是均勻的。用上述方法分析NM LED 陣列光源照度分布，其照度分布公式如下

對(duì)式（5）二次微分，推導(dǎo)如下

3 LED 路燈的兩種配光方案的設(shè)計(jì)與分析

3.1 LED 路燈的一次配光模型構(gòu)建與分析

本文LED 路燈的一次配光中，先將單顆LED芯片采用花生殼透鏡進(jìn)行一次配光設(shè)計(jì)。設(shè)置LED芯片光通量為85lm，透鏡材料選為pmma，所構(gòu)建模型如圖3a 所示。對(duì)該模型進(jìn)行光線追跡獲得配光曲線，如圖3b 所示。由圖3b 可知，文中所構(gòu)建的一次配光模型仿真后所得配光曲線為蝙蝠翼型，光通量為光通量為77.65lm。

圖3 花生殼透鏡一次配光模型圖和一次配光曲線圖Fig.3 Peanut form lens model for first optics design and first light distribution curve of batwing

利用上述經(jīng)花生殼透鏡一次配光后得到蝙蝠翼型配光曲線的單顆LED 模型構(gòu)建6×6 陣列的LED路燈模組，模型結(jié)構(gòu)如圖4a 所示。對(duì)該模型進(jìn)行光線追跡獲得配光曲線圖和照度圖，如圖4b 和4c 所示。由圖4b、4c 可知，上述模型仿真后所得配光曲線為蝙蝠翼型，光通量為2 368lm，平均照度為7.88lx。分析上述模型配光曲線和照度圖，可知該配光方案得到了均勻矩形光場(chǎng)。

圖4 花生殼透鏡一次配光6×6 LED 陣列模型圖、配光曲線圖、照度圖Fig.4 6×6 LED array of peanut form lens model for first optics design、light distribution curve、illumination distribution

3.2 LED 路燈的二次配光模型構(gòu)建與分析

本文LED 路燈的二次配光方案中，將已經(jīng)過一次配光后獲得朗伯型配光曲線的LED 模型再加花生殼透鏡進(jìn)行二次配光，模型圖及其配光曲線圖如圖5a 和5b 所示。模型中設(shè)置LED 芯片光通量為85lm，透鏡材料選為pmma。對(duì)該模型進(jìn)行光線追跡獲得配光曲線為蝙蝠翼型，如圖5b 所示，光通量為79.439 lm。

圖5 花生殼透鏡二次配光模型圖與二次配光曲線圖Fig.5 Peanut form lens model for secondary optics design and secondary light distribution curve of batwing

利用上述經(jīng)花生殼透鏡二次配光后得到蝙蝠翼型配光曲線的單顆LED 模型構(gòu)建6×6 陣列的LED路燈模組，模型結(jié)構(gòu)如圖6a 所示。對(duì)該模型進(jìn)行光線追跡獲得配光曲線圖和照度圖，如圖6b 和圖6c所示。由圖6b、圖6c 可知，上述模型仿真后所得配光曲線為蝙蝠翼型，光通量為2 364lm，平均照度為7.861lx。分析上述模型配光曲線和照度圖，可知該配光方案得到了均勻矩形光場(chǎng)。

圖6 花生殼透鏡二次配光6×6 LED 陣列模型圖、配光曲線圖、照度圖Fig.6 6×6 LED array of peanut form lens model for secondary optics design、light distribution curve、illumination distribution

4 兩種配光方案仿真結(jié)果與討論

通過TracePro 軟件光線追跡模擬上述兩種配光方案的LED 路燈，得到其配光曲線圖和照度圖，分析可知：兩種方案均能獲得蝙蝠翼配光曲線及矩形光場(chǎng)，但其光通量值和平均照度值相差無多。因此，本文再將上述兩種模型的仿真結(jié)果導(dǎo)入至Dialux 軟件，模擬這兩種不同配光方案LED 路燈的實(shí)際道路照明效果，并進(jìn)行比較分析。模擬過程中參數(shù)設(shè)置分別為：①維護(hù)系數(shù)0.6、道路寬7m、長(zhǎng)210m、路面的反射系數(shù)10%；②燈具突出部分為1m、雙排相對(duì)布置；③間距10m、安裝高度8m、仰角為15°。兩種配光方案模擬結(jié)果如圖7a、7b 所示。比較分析圖7 可知，在同樣的仿真實(shí)驗(yàn)條件下，采用花生殼透鏡進(jìn)行一次配光方案的均勻度為0.477，花生殼透鏡進(jìn)行二次配光方案的均勻度為0.556，即第二種方案的均勻性佳。

圖7 兩種配光方案實(shí)際道路照明Dialux 仿真效果圖Fig.7 Simulation results of practical road lighting for two different optics design by Dialux

5 結(jié)論

通過上述分析可知，第二種配光方案即能獲得道路照明所需的矩形光場(chǎng)，同時(shí)也避免了一次配光采用特定透鏡通用性差的問題，而且第二種配光方案在獲得與一次配光方案近似的光通量值和平均照度值的同時(shí)，其均勻性更好。因此，第二種配光方案在實(shí)際道路照明中更可取。

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