基于離散擴(kuò)展光源的LED路燈設(shè)計(jì)

關(guān)燁鋒，黎永耀

(1.廣東順德工業(yè)設(shè)計(jì)研究院(廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院)，廣東 佛山 511447；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理與光電工程學(xué)院，廣東 佛山 528000)

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基于離散擴(kuò)展光源的LED路燈設(shè)計(jì)

關(guān)燁鋒1，黎永耀2

(1.廣東順德工業(yè)設(shè)計(jì)研究院(廣東順德創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究院)，廣東 佛山 511447；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理與光電工程學(xué)院，廣東 佛山 528000)

本文設(shè)計(jì)了由多個(gè)離散排布的擴(kuò)展光源與單個(gè)透鏡組合而成的LED路燈。其透鏡的內(nèi)表面進(jìn)行了特有的磨砂處理，保證了離散光源出光光斑的均勻性。熱學(xué)分析結(jié)果表明，在同樣的功率下，該光源設(shè)計(jì)能有效地降低燈具模組的結(jié)溫。道路照明分析驗(yàn)證了打樣實(shí)測(cè)的配光曲線，結(jié)果表明該款路燈能滿足國(guó)家道路照明的要求。這種基于低成本的離散擴(kuò)展光源的LED路燈設(shè)計(jì)方案，能更好地在成本和產(chǎn)品穩(wěn)定性之間取得平衡，為性價(jià)比高的LED照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

LED；道路照明；配光設(shè)計(jì)；離散擴(kuò)展光源；路燈；透鏡；設(shè)計(jì)；穩(wěn)定性；成本

引言

對(duì)于LED光源，低成本的板上芯片封裝(Chip On Board, COB)光源一直被視為L(zhǎng)ED光源的發(fā)展方向[1-4]。目前市場(chǎng)上的COB光源大多采用鋁基板作為材料，而鋁基板熱阻較大，可靠性不高，對(duì)于大功率LED路燈等產(chǎn)品則容易出現(xiàn)光衰和死燈的現(xiàn)象[5]。陶瓷基板是COB光源的理想材料之一，但是成本較高，LED路燈客戶難以接受。為此，本文提出一種基于低成本的離散擴(kuò)展光源的LED路燈設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)能更好地在成本和產(chǎn)品穩(wěn)定性之間取得平衡，為性價(jià)比高的LED照明產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

1 離散擴(kuò)展光源的設(shè)計(jì)

區(qū)別于常規(guī)的單個(gè)透鏡配合單顆大功率LED燈珠或者COB光源設(shè)計(jì)的LED路燈，本文提出利用數(shù)量為(3N+1)的低成本中功率貼片LED燈珠(其中N≥1)，排成M(M≥3)列，并配合設(shè)計(jì)了一款LED路燈透鏡，此設(shè)計(jì)方法同樣適用于工礦照明等。該燈具的光源具有擴(kuò)展性和離散性，在透鏡設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到光源發(fā)光面不連續(xù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)難度比一般透鏡的設(shè)計(jì)大[6]。在光源燈珠排布的探索中，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，以相鄰三顆燈珠的中心點(diǎn)相連直線組成等邊三角形時(shí)出光效果最為理想，這種排列方式可降低因光源發(fā)光面的不連續(xù)而造成配光曲線的震蕩。

2 基于離散擴(kuò)展光源的LED路燈透鏡設(shè)計(jì)

該LED路燈透鏡是利用自由曲面光學(xué)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的[7]。其設(shè)計(jì)思路為：首先以LED點(diǎn)光源作為參考，把LED點(diǎn)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(duì)應(yīng)關(guān)系，并計(jì)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(jì)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(jì)方法已被廣泛應(yīng)用在LED配光設(shè)計(jì)中[8-9]。對(duì)于離散擴(kuò)展光源，在點(diǎn)光源的基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)種子線加以調(diào)整，可得到符合道路要求的配光曲線。本實(shí)例采用了中功率3030燈珠，以N=M=3，即10個(gè)燈珠排成3列為例，實(shí)現(xiàn)10顆燈珠3-4-3的排列(如圖1所示)，設(shè)計(jì)了基于離散擴(kuò)展光源的LED路燈透鏡。

圖1 10個(gè)3030燈珠構(gòu)成3-4-3等三角排列的離散擴(kuò)展光源Fig.1 Discrete expended source with triangle arrangement consisted of ten 3030 LED

3 透鏡內(nèi)表面磨砂處理

由于光源是由10個(gè)3030燈珠組成，發(fā)光面不連續(xù)，這會(huì)給配光曲線造成震蕩，進(jìn)行影響光斑質(zhì)量。這在透鏡與燈珠之間存在較大裝配誤差時(shí)尤為明顯。該透鏡為偏光路燈透鏡，其進(jìn)光面，即透鏡內(nèi)表面被輕度磨砂處理。進(jìn)行磨砂處理后，由于磨砂微粒結(jié)構(gòu)的散射而產(chǎn)生的勻光作用，這類似于室內(nèi)燈具中全內(nèi)反射透鏡中的珠面處理[10]。該磨砂處理能使路燈的出光光斑亮度均勻，將大幅減小甚至消除因光源不連續(xù)而造成的光強(qiáng)起伏。而相對(duì)于光滑的透鏡來(lái)說(shuō)，內(nèi)表面被輕度磨砂后透鏡的配光曲線角度會(huì)較大一些，以及透光率較低一些。另外，磨礪的處理程度越高(顆粒越精細(xì))，燈具的發(fā)光角度越大，光輸出效率越低。因此，本工作對(duì)透鏡的內(nèi)表面只作了輕度處理，以便配光曲線在滿足道路照明標(biāo)準(zhǔn)的前提下，獲得較高的光輸出效率。

基于上述路燈透鏡的設(shè)計(jì)方法，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于三車道的LED偏光路燈透鏡。透鏡所用燈珠為Philips的白光LUXEON 3030 2D，其發(fā)光效率最高可達(dá)133 lm/W[11]。透鏡的三維模型如圖2所示，圖3為用于構(gòu)造三維模型所設(shè)計(jì)的種子線。

圖2 透鏡的三維模型圖：(a)上視圖；(b)下視圖Fig.2 3D model of the lens: (a) top view; (b)bottom view

圖3 構(gòu)造透鏡三維模型所設(shè)計(jì)的種子線Fig.3 The seed lines for the 3D design of the lens

4 仿真及開模測(cè)試結(jié)果

利用Lighttools或Tracepro等光學(xué)仿真軟件對(duì)裝配后的透鏡模型與離散分布的LUXEON 3030 2D光源進(jìn)行光學(xué)仿真。透鏡所使用材料為聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)，光線追跡方式為蒙特卡羅光線追跡，所用光線數(shù)量為500萬(wàn)。圖4為光線追跡后得到的配光曲線，該配光曲線的角度約為75°×130°。圖中C0-C180曲線為沿車道方向的光強(qiáng)分布，曲線C90-C270為垂直于車道方向的光強(qiáng)分布。

圖4 離散擴(kuò)展光源配合設(shè)計(jì)透鏡光線追跡所得到的配光曲線Fig.4 The designed IES for the discrete expended source

對(duì)光學(xué)仿真得到的IES文件(配光曲線)進(jìn)行道路照明分析并確認(rèn)其符合道路照明標(biāo)準(zhǔn)后，對(duì)透鏡進(jìn)行開模打樣，然后對(duì)組裝后的燈具的配光曲線進(jìn)行實(shí)測(cè)。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用的儀器為遠(yuǎn)方配光測(cè)試儀(GO-HD5)，測(cè)試所得的配光曲線如圖5所示。實(shí)測(cè)的配合曲線的角度為77.2°×149.8°(C0×C90)，與設(shè)計(jì)角度相比，C0與C90的角度都變大了。角度變大的原因與透鏡開模的精確，注塑工藝以及透鏡與燈珠的裝配誤差有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要保證實(shí)測(cè)角度在一定范圍里(對(duì)于本實(shí)例通常不超過(guò)85°×150°)，以便滿足城市道路照明設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 燈具實(shí)際測(cè)量所得到的配光曲線Fig.5 The measured IES of the lamp

對(duì)從光學(xué)仿真和配光測(cè)試儀得到的IES(配光曲線)文件，可利用照明設(shè)計(jì)軟件DIALux進(jìn)行道路仿真分析。DIALux的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下：路面為10.5 m寬的三車道，燈桿安裝高度為10 m，燈桿間距為35 m(高距比為1∶3.5)，懸挑長(zhǎng)度為1.5 m，仰角15°，燈具總光通量為15 000 lm，燈具排列方式為單側(cè)布燈。選用瀝青R3路面進(jìn)行照明仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。仿真結(jié)果表明，對(duì)于設(shè)計(jì)值：照度均勻度UE，亮度總均勻度U0和亮度縱向均勻度UL分別為0.52，0.53和0.81；而對(duì)于開模后的實(shí)測(cè)值：UE、U0和UL分別為0.50，0.51和0.79。因此，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值接近，且都能滿足《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2015)中道路配光的要求[12]。

圖6 對(duì)配光曲線進(jìn)行道路照明分析的結(jié)果Fig.6 The analysis results for road lighting with IES

5 熱仿真分析

目前，LED散熱的方式主要有散熱翅片、熱電制冷技術(shù)、熱管技術(shù)、液冷和風(fēng)冷等[13]。其中，熱管技術(shù)具有技術(shù)成熟、傳熱迅速，溫差小等優(yōu)點(diǎn)，可有效消除“熱點(diǎn)”，使散熱面溫度均勻，廣泛應(yīng)用于分散熱源的溫度控制。本實(shí)例采用了銅制熱管外加鋁制翅片散熱器的散熱模組，分別對(duì)同等功率、同等發(fā)光面積的離散擴(kuò)展光源和COB光源進(jìn)行熱學(xué)仿真分析。離散擴(kuò)展光源是由10個(gè)0.5 W的3030燈珠構(gòu)成，而COB光源的功率為5 W，直徑為8.2 mm，面積約等于10個(gè)3030發(fā)光的總面積。3030燈珠和COB光源的熱阻分別為12 ℃/W和2 ℃/W，每個(gè)模組上各布置4個(gè)光源，共20 W。模組的熱學(xué)仿真分析使用Ansys熱分析軟件進(jìn)行。仿真中假設(shè)外界環(huán)境溫度為25 ℃，壓力為常壓。散熱模組仿真的溫度分布圖如圖7所示，仿真結(jié)果表明，離散擴(kuò)展光源的結(jié)溫為52.79 ℃，小于COB光源的53.48 ℃。因此，在同等功率下，高熱阻的離散排布的擴(kuò)展光源比COB光源有可能取得更高效的散熱效果。

圖7 散熱效果對(duì)比Fig.7 Contrast of heat dissipation effect

6 討論與結(jié)論

本文采用多個(gè)中功率貼片LED與單個(gè)LED偏光路燈透鏡組合的方式，設(shè)計(jì)了基于離散擴(kuò)展光源的LED路燈。由于擴(kuò)展光源發(fā)光面不連續(xù)，相對(duì)連續(xù)光源來(lái)說(shuō)，實(shí)際開模和裝配過(guò)程中出現(xiàn)的誤差更容易造成配光曲線的震蕩，因此本工作采取對(duì)透鏡內(nèi)表面進(jìn)行輕度磨礪的處理。雖然磨砂微粒結(jié)構(gòu)的光散射效應(yīng)產(chǎn)生了勻光作用，并能減小因?qū)嶋H誤差而引起的配光曲線起伏，但是磨砂處理同時(shí)會(huì)使燈具的輸出效率降低2%左右。另外，磨砂處理還對(duì)光線起發(fā)散作用，使實(shí)際的配合曲線的角度變大。本文利用光學(xué)仿真軟件進(jìn)行光線追跡實(shí)現(xiàn)理論驗(yàn)證，最后打樣并測(cè)試了燈具的配光曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)與理論分析結(jié)果都符合國(guó)家道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此，實(shí)際的配光曲線的角度，尤其是C0方向(沿車輛行駛方向)的角度有一定增加。配光曲線的角度變大容易引起道路照明分析中眩光值超出標(biāo)準(zhǔn)。因此，透鏡的內(nèi)表面磨砂處理程度不能太高，否則會(huì)影響到燈具的輸出效率和應(yīng)用范圍。

本文最后通過(guò)專業(yè)熱分析軟件在同等功率下對(duì)兩種不同光源進(jìn)行散熱仿真，仿真結(jié)果表明，采用離散擴(kuò)展光源的模組比采用COB的具有更低的結(jié)溫，且散熱效果更好。與此相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作后面還需要進(jìn)一步完善。

總的來(lái)說(shuō)，基于低成本離散擴(kuò)展光源的LED路燈設(shè)計(jì)能更好地在成本和產(chǎn)品穩(wěn)定性之間取得平衡，在成本壓力不斷上升的未來(lái)，會(huì)更有好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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LED Road Lamp Design Based on Discrete Extended Light Source

GUAN Yefeng1，LI Yongyao2

(1.Duangdong Shunde Innovative Design Institute (Duangdong Shunde Industry Design Institute)，F(xiàn)oshan 511447, China; 2.School of Physics and Optoelectronic Engineering, Foshan University , Foshan 528000, China)

This paper proposes a LED road light with discrete extended light sources and a single lens. The inner face of the LED lens is ground by special technology and it keeps the uniformity of the light distribution. With the same power supply, the thermal analysis results show that this design can lower the junction temperature of the module of the lamp efficiently. The measured IES is tested with DIALux and the result shows that this IES meets the standard for lighting design of urban road. The optical design based on discrete expended source strikes a balance between cost and product stability, and provides a reference for LED lamp with high function-price ratio.

LED; road lighting; light distribution design; discrete extended light source; road lamp; lens; design; stability; cost

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目面上項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：11575063)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.015