劉軒達(dá) 李文霄
中北大學(xué)朔州校區(qū)
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基于Tracepro的LED路燈光學(xué)設(shè)計(jì)與仿真研究
劉軒達(dá)李文霄
中北大學(xué)朔州校區(qū)
本文研究LED路燈照明,結(jié)合國(guó)家道路照明標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)了一款LED路燈反光板和一款LED路燈透鏡,并在計(jì)算機(jī)仿真軟件Tracepro中仿真此兩款LED路燈的光斑等,結(jié)果顯示在離LED路燈10m遠(yuǎn)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(xué)設(shè)計(jì) 仿真
道路照明有著特殊的環(huán)境,所以對(duì)路燈的要求也特別嚴(yán)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(xué)器件(反光板或者透鏡)、LED驅(qū)動(dòng)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(shù)高,色溫多樣可選擇性多、耗電量低等特點(diǎn),大有取代高壓鈉燈的趨勢(shì)。
設(shè)計(jì)一符合雙向4車道的次干道。本次路燈光學(xué)設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)符合道路照明標(biāo)準(zhǔn)的LED路燈光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)路燈設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,本次設(shè)計(jì)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(dá)到15lx以上,最好達(dá)到20lx以上,按照達(dá)到20lx以上標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。
具體設(shè)計(jì)方案:采用多個(gè)反光板陣列的形式,5*5陣列,共25個(gè)小反光板,25個(gè)LED光源,光源采用SMD 3030型號(hào),單科光源尺寸為3mm*3mm*1mm,單科光源光通量取值350Lm,經(jīng)過(guò)反光板內(nèi)表面反射有損失。最后設(shè)計(jì)3D模型如圖1。
LED路燈光斑為矩形,若不對(duì)反光板型LED路燈二次光學(xué)的部分陣列進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度,則光斑會(huì)為對(duì)稱光斑,以未經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)的即0度情況下的反光板型模型為例,其通過(guò)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(duì)稱配光,光斑為矩形,中心光強(qiáng)不是最大光強(qiáng),有利于提高光斑的均勻度。此配光不適合路燈照明,通過(guò)旋轉(zhuǎn)兩側(cè)的LED模組,可以加大發(fā)光角度,達(dá)到光斑矩形的目的,有利于道路照明。分布進(jìn)行10度、15度、20度旋轉(zhuǎn),并進(jìn)行模擬,選出較好的反光板型LED路燈配光。
對(duì)比三種旋轉(zhuǎn)角度的可以得出,旋轉(zhuǎn)角度改變了原有配光曲線形狀和光斑,其中10度旋轉(zhuǎn)角度偏小,還達(dá)不到預(yù)期效果,20度旋轉(zhuǎn)角度偏大,不僅外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上會(huì)有困難,而且光線浪費(fèi)嚴(yán)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(zhuǎn)15度時(shí)最適合,選用旋轉(zhuǎn)15度的仿真結(jié)果進(jìn)行LED路燈在實(shí)際道路場(chǎng)景里的仿真。
光線追擊,查看光線結(jié)果如圖3所示,圖中可以看出一個(gè)方向上角度較大,另一個(gè)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(dǎo)出ies文件得出模擬效果圖。
模擬結(jié)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(shuō)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(yuǎn)大于反光板型的0.47,均勻度要好很多,同時(shí)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(shí)現(xiàn)燈桿間距更大的照明,而反光板型通過(guò)旋轉(zhuǎn)模組角度達(dá)到大角度有可行性,但是效果并不太理想,旋轉(zhuǎn)角度增大的同時(shí)均勻度會(huì)變低。
[1]朱小清.LED光源在道路交通中的應(yīng)用研究[D].重慶大學(xué),2009.
[2]程敏.具有非對(duì)稱配光特性的LED路燈的光學(xué)設(shè)計(jì)[D].大連工業(yè)大學(xué),2012.
[3]宋寧亮.基于軟件仿真的LED照明設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].廈門大學(xué),2014.
圖1 反光板型LED路燈3D模型
圖2 旋轉(zhuǎn)0度仿真結(jié)果
圖3 透鏡型LED路燈仿真