劉軒達 李文霄
中北大學朔州校區(qū)
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基于Tracepro的LED路燈光學設計與仿真研究
劉軒達李文霄
中北大學朔州校區(qū)
本文研究LED路燈照明,結合國家道路照明標準,設計了一款LED路燈反光板和一款LED路燈透鏡,并在計算機仿真軟件Tracepro中仿真此兩款LED路燈的光斑等,結果顯示在離LED路燈10m遠處光斑為矩形,配光曲線為蝙蝠翼形狀,基本滿足道路照明要求。
Tracepro模擬 光學設計 仿真
道路照明有著特殊的環(huán)境,所以對路燈的要求也特別嚴格。LED路燈是作為常用的燈種,其主要由路燈燈桿、路燈外殼、LED光源、LED二次光學器件(反光板或者透鏡)、LED驅動電源等部件組成。LED作為第四代照明光源,有著光效高,顯色指數高,色溫多樣可選擇性多、耗電量低等特點,大有取代高壓鈉燈的趨勢。
設計一符合雙向4車道的次干道。本次路燈光學設計旨在設計符合道路照明標準的LED路燈光學系統(tǒng)。根據路燈設計標準規(guī)范,本次設計某次干道道路,雙向4車道,路寬14m,燈桿高度12m,燈桿間距30m,路面為瀝青路。采用雙向布燈的方式。道路平均照度達到15lx以上,最好達到20lx以上,按照達到20lx以上標準設計。
具體設計方案:采用多個反光板陣列的形式,5*5陣列,共25個小反光板,25個LED光源,光源采用SMD 3030型號,單科光源尺寸為3mm*3mm*1mm,單科光源光通量取值350Lm,經過反光板內表面反射有損失。最后設計3D模型如圖1。
LED路燈光斑為矩形,若不對反光板型LED路燈二次光學的部分陣列進行旋轉角度,則光斑會為對稱光斑,以未經過旋轉的即0度情況下的反光板型模型為例,其通過光線追擊后,觀察配光光斑如圖2所示。從配光光斑可以看出,為左右對稱配光,光斑為矩形,中心光強不是最大光強,有利于提高光斑的均勻度。此配光不適合路燈照明,通過旋轉兩側的LED模組,可以加大發(fā)光角度,達到光斑矩形的目的,有利于道路照明。分布進行10度、15度、20度旋轉,并進行模擬,選出較好的反光板型LED路燈配光。
對比三種旋轉角度的可以得出,旋轉角度改變了原有配光曲線形狀和光斑,其中10度旋轉角度偏小,還達不到預期效果,20度旋轉角度偏大,不僅外殼結構設計上會有困難,而且光線浪費嚴重,最重要的是均勻度更差了,中心更亮,往兩邊照度下降較快。綜合考慮旋轉15度時最適合,選用旋轉15度的仿真結果進行LED路燈在實際道路場景里的仿真。
光線追擊,查看光線結果如圖3所示,圖中可以看出一個方向上角度較大,另一個較小,且還有一定偏光,光斑為矩形,基本符合要求,最后將配光曲線導出ies文件得出模擬效果圖。
模擬結果顯示透鏡型LED路燈與反光板型在光源光通量相同的情況下,得到的路面照度也基本相同,說明兩種配光的利用率差不多,但是透鏡型的照度均勻度0.745遠大于反光板型的0.47,均勻度要好很多,同時亮度要高很多,亮度均勻度也要好很多。透鏡型LED路燈沿著道路方向發(fā)光角度大,能實現(xiàn)燈桿間距更大的照明,而反光板型通過旋轉模組角度達到大角度有可行性,但是效果并不太理想,旋轉角度增大的同時均勻度會變低。
[1]朱小清.LED光源在道路交通中的應用研究[D].重慶大學,2009.
[2]程敏.具有非對稱配光特性的LED路燈的光學設計[D].大連工業(yè)大學,2012.
[3]宋寧亮.基于軟件仿真的LED照明設計與應用[D].廈門大學,2014.
圖1 反光板型LED路燈3D模型
圖2 旋轉0度仿真結果
圖3 透鏡型LED路燈仿真