一種高效偏光地埋燈透鏡設(shè)計(jì)及其光學(xué)檢測(cè)

劉燕娟 楊和良 唐浚康

（廣東德洛斯照明工業(yè)有限公司 廣東省佛山市 528000）

1 引言

隨著戶外景觀量化工程的加速擴(kuò)張，對(duì)不同類(lèi)型燈具的配光要求越來(lái)越新穎，也越來(lái)越嚴(yán)格[1]。照明效果及眩光控制成為景觀燈具照明中尤為重要的技術(shù)要求。對(duì)于橋面、住宅樓、公園景觀等場(chǎng)合的照明，當(dāng)照明范圍超出工作面要求尺寸時(shí)，會(huì)對(duì)周邊的行人或居民產(chǎn)生明顯的眩光，照成光污染[2]。因此對(duì)景觀照明燈具要有一定的截光性要求。傳統(tǒng)地埋燈通常采用對(duì)稱(chēng)配光照明和偏光照明。當(dāng)需要偏光照明工作面時(shí)，通常將光源板或燈具出光面傾斜一定角度。這種透鏡在地埋燈結(jié)構(gòu)裝配上增加了一定的難度，也增加了材料及工序的成本。還有一種方式對(duì)光學(xué)透鏡表面進(jìn)行傾斜設(shè)計(jì)，將光線偏向所需照明工作面。這種方式通常均勻性不高，且無(wú)法兼顧較高工作面照明和較寬距離布燈。

LED透鏡配光設(shè)計(jì)目前已基本上應(yīng)用在各個(gè)照明行業(yè)[3-5]，然而如何對(duì)透鏡出光進(jìn)行高效率的照明利用，成為目前亟待解決的重點(diǎn)。我們對(duì)地埋燈透鏡設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，在垂直方向進(jìn)行光會(huì)聚實(shí)現(xiàn)高應(yīng)用面照明，在水平方向進(jìn)行光發(fā)散實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離布燈的寬光照明。同時(shí)，在離墻方向進(jìn)行了截光處理，提高了地埋燈在非照明區(qū)域的防眩光性能。

2 地埋燈光學(xué)設(shè)計(jì)及其原理

2.1 地埋燈應(yīng)用面需求分析

以離墻0.5m，布燈間距2m，照射3m高墻面為例進(jìn)行透鏡設(shè)計(jì)分析，照明應(yīng)用面如圖1所示。將平行于被照面方向定義為C0°-C180°，垂直于被照面方向定義為C90°-C270°。透鏡設(shè)計(jì)基于朗伯體光線分布的LED，主要實(shí)現(xiàn)地埋燈寬光照明，在C0°-C180°方向?qū)⒐饩€發(fā)散，在C90°-C270°方向?qū)⒐饩€會(huì)聚并偏向被照面。要實(shí)現(xiàn)地埋燈洗墻的照明需求，需對(duì)配光需求角度進(jìn)行估算，在C0°-C180°方向半光強(qiáng)角度需達(dá)到150°左右。而要實(shí)現(xiàn)3m高度洗墻照明，根據(jù)照度與亮度之間的轉(zhuǎn)換公式（其中，E為照度，I為光強(qiáng)，L為照射距離，θ為接收面法線與照射光線之間的夾角）推算可知，要實(shí)現(xiàn)均勻度0.4的洗墻照明，透鏡配光曲線峰值光強(qiáng)在 C90°-C270°方向需達(dá)到1100cd/klm以上，強(qiáng)光區(qū)域集中在15°以內(nèi)。對(duì)應(yīng)的橫向和縱向光強(qiáng)分布曲線圖如圖2和圖3所示。

圖1：地埋燈洗墻示意圖

圖2：地埋燈透鏡橫向光強(qiáng)分布計(jì)算圖

圖3：地埋燈透鏡縱向光強(qiáng)分布計(jì)算圖

2.2 光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)所分析的配光，需對(duì)透鏡各方向進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，透鏡整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。透鏡主體為半圓弧形結(jié)構(gòu)，光線經(jīng)入光面進(jìn)行偏折后由出光面出射。要實(shí)現(xiàn)寬光照明，需在C0°-C180°方向?qū)⒅行墓鈴?qiáng)減弱，峰值光強(qiáng)往兩端偏移，入光面在C0°-C180°方向整體寬高比控制在1.4-1.8的范圍。曲線軌跡需分段進(jìn)行精細(xì)控制，使朗伯體光源出射的光線在C0°-C180°方向往兩端偏移，實(shí)現(xiàn)較寬間距布燈。透鏡出光面軌跡在C0°-C180°方向整體寬高比控制在1.8-2.2的范圍，主要依據(jù)入光面折射過(guò)來(lái)的光線軌跡進(jìn)行設(shè)計(jì)，將曲線基本控制在與光線路徑垂直，將光線保持原有路徑出射。

圖4：透鏡設(shè)計(jì)外觀圖

在C90°-C270°方向透鏡入光面和透鏡出光面分別對(duì)不同角度范圍內(nèi)的光線進(jìn)行不同程度的會(huì)聚，在相對(duì)被照面方向進(jìn)行直面截光處理，以獲得較好的眩光控制效果。透鏡出光面與透鏡入光面配合對(duì)朗伯體光源進(jìn)行光線重新分配。透鏡出光面在C90°-C270°方向?qū)饩€進(jìn)行了聚焦，曲線變化幅度較大，且曲線峰值與燈珠中軸線偏離5°～10°，將光線集中在被照面高處且偏向墻面，實(shí)現(xiàn)高工作面照明。在相對(duì)被照面方向中軸線30°～45°以外曲線截止，同時(shí)在截?cái)嗝嫣幮璐蚰ド耙垣@得較好的截光及防眩光效果。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果仿真驗(yàn)證

所設(shè)計(jì)偏光地埋燈透鏡極坐標(biāo)光強(qiáng)分布曲線如圖5(a)所示，半光強(qiáng)配光角度為10°*140°，可以滿足相應(yīng)的地埋燈照明需求。圖5(b)為T(mén)racepro仿真光斑圖，可見(jiàn)此透鏡出光為狹長(zhǎng)型光斑，并實(shí)現(xiàn)5～10°的偏光效果。

圖5：透鏡配光曲線及光斑分布示意圖

3 照度及色溫均勻性檢測(cè)

3.1 分布光度計(jì)測(cè)試結(jié)果

將所設(shè)計(jì)的偏光地埋燈進(jìn)行開(kāi)模打樣品，用分布光度計(jì)進(jìn)行光學(xué)測(cè)試，數(shù)據(jù)如圖6所示。所設(shè)計(jì)透鏡峰值光強(qiáng)實(shí)測(cè)值為1390cd/klm，50%光束角實(shí)測(cè)值為12*129°，峰值光強(qiáng)實(shí)測(cè)偏光約5°，實(shí)測(cè)光效為64.45lm/lm。測(cè)試數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)結(jié)果基本吻合，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的照明效果。紅色配光曲線在-90°～-10°幾乎沒(méi)有光線，做到精準(zhǔn)截光無(wú)眩光。-5°～10°是光強(qiáng)最集中的區(qū)域，在15°～90°沒(méi)有完全截光，而是進(jìn)行了從強(qiáng)到弱的過(guò)渡處理，確保偏光照明物面的時(shí)候，從底部到頂部都能夠均勻照明。

圖6：分布光度計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 燈具實(shí)測(cè)效果

將所設(shè)計(jì)的偏光地埋燈透鏡組裝成整燈燈具，進(jìn)行實(shí)際出光的效果評(píng)判測(cè)試，如圖7所示[6]?？梢钥闯?，燈具水平安裝的情況下，出光大部分偏向墻面且在燈具中心離墻0.5米的安裝環(huán)境下，照明寬度可以達(dá)到2～4m，照明高度可達(dá)到3～5m。出光均勻，亮暗過(guò)渡自然銜接，實(shí)現(xiàn)較好的寬光偏光照明。通過(guò)布燈角度的輕微調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)不同高度的偏光地埋燈照明。

圖7：燈具實(shí)測(cè)效果圖

4 結(jié)語(yǔ)

本地埋燈透鏡根據(jù)實(shí)際照明效果的需求進(jìn)行了精準(zhǔn)的光強(qiáng)分布分析，將光強(qiáng)橫向、縱向分布趨勢(shì)及偏光角度分別進(jìn)行了計(jì)算，從而依據(jù)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行透鏡實(shí)物設(shè)計(jì)，以最大效率進(jìn)行光學(xué)照明，并實(shí)現(xiàn)理想的照明效果。本地埋燈透鏡設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)有：

（1）透鏡水平安裝，峰值光強(qiáng)偏光5°，實(shí)現(xiàn)偏光照明的效果，大大簡(jiǎn)化了燈體結(jié)構(gòu)及組裝工序。

（2）C0°-C180°方向的出光角度達(dá)到129°，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離布燈。C90°-C270°方向的光集中會(huì)聚在15°以內(nèi)，實(shí)測(cè)峰值光強(qiáng)達(dá)到1390cd/klm，可實(shí)現(xiàn)3-5m高度工作面的地埋燈偏光照明。

（3）光斑橫向和縱向過(guò)渡均勻，無(wú)明顯條紋和亮暗區(qū)。

（4）非照明空間截光良好，實(shí)現(xiàn)較好的防眩光照明，最大效率實(shí)現(xiàn)對(duì)出光的照明利用率。