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《led道路照明系統(tǒng)的光學設計及發(fā)展趨勢》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在教育資源-天天文庫。
1、LED道路照明系統(tǒng)的光學設計及發(fā)展趨勢1、LED道路照明系統(tǒng)的背景介紹為了滿足城市道路照明設計標準,傳統(tǒng)的道路照明燈具往往采用耗電200瓦以上含水銀的燈泡。相比之下,到2009年,市場上發(fā)光二極管(LED)的光學效率已經(jīng)超過了100lm/W,這意味著采用LED作光源的路燈,其耗電量將會大大的減少。由于LED的超長壽命、不含汞和節(jié)能的特性,采用LED作光源的路燈來取代傳統(tǒng)的LPS(低壓鈉燈)或MH(金屬鹵化物燈)是很好的選擇。目前,LED路燈在世界上各個國家都進行了測試。為了解決能源緊缺和溫室氣體的排放問題,LED路燈在一些地方已經(jīng)實用化,其中中國、北美以及歐洲的一些地區(qū)和都市的政
2、府進行了積極的推廣。由于市場上出廠的LED大部分都是呈郎伯型(Lambertiandistribution)分布,中心光強比較強,而且是對稱的圓形光斑分布,不能直接用于道路照明。為了滿足城市道路照明設計標準,LED路燈需要進行二次光學設計,以產(chǎn)生一個長方形、均勻分布的光斑,其配光曲線需要呈蝙蝠翼的形狀。另外,光學設計的好壞直接決定了LED路燈的效率,有的LED路燈加上了設計不好的二次透鏡之后,有些光在透鏡里面多次反射后損耗掉了或者是不能配到有效的區(qū)域,有些二次透鏡雖然光斑形狀和均勻度都可以,但出光效率卻降低了將近一半。還有,光學設計的好壞也均定了LED路燈有無眩光,有的設計得不好
3、的透鏡,雖然也可以產(chǎn)生一個長方形、均勻分布的光斑,配光曲線也可以呈蝙蝠翼,但由于沒有采用截光設計,導致沿道路方向75~90范圍的出射光還是很多,這樣就會給遠處的車輛或行人造成眩光。好的光學設計應充分利用LED光源面積小這一優(yōu)點,充分考慮光的利用率,將所有從LED芯片發(fā)出的光都分配到路面上,形成一個均勻度好、無眩光、配光曲線呈蝙蝠翼的光斑。本文將基于這些因素來探討LED道路照明系統(tǒng)的光學系統(tǒng)設計及發(fā)展趨勢。2、自由曲面二次光學的設計方法由于道路照明要求路燈的光斑是長方形,在垂直于道路的方向,其出射的光束是會聚的,而沿著道路的方向,其出射光束是發(fā)散的,并且有一個很大的視角。對于這種一
4、個方向是會聚而另一個方向是發(fā)散的配光,那么所對應的透鏡,其在垂直于道路方向的剖面應該是個正透鏡,而沿著道路的方向的剖面應該是個負透鏡,所以透鏡的整體可以用一個不規(guī)則的自由曲面來表述。利用上述的(1)~(9)關系式,結合曲面控制網(wǎng)格的節(jié)點法線矢量的匹配法,可以計算出曲面上各個點的法線矢量,從而得出各點的輪廓線,進而構成完整的自由曲面。具體的曲面控制網(wǎng)格的節(jié)點法線矢量的匹配法如以下所述：當曲面建模完成之后,將透鏡的3維模型輸入到光度分析軟件例如LightTools[4]中進行光線追跡和光度分析,圖5為透鏡的計算機模型及光線追跡,這里模擬采的LED模型為光通量圖8為整個LED燈頭的計算
5、機建模及光線追跡。因為長方形光斑及蝙蝠翼配光曲線的配光早已在單顆透鏡上實現(xiàn),燈頭的結構只要把這些二次透鏡模組按照相同的方向排列組裝在PCB上即可,這樣使得LED路燈的散熱比較容易實現(xiàn)。只要這些透鏡模組的方向一致,PCB板的形狀可以是個種各樣的,譬如橢圓形、長方形、星形、花形或動物形,不影響整體燈頭的配光結果。LED燈頭在12米遠處的光斑形狀和照度分布如圖9所示,圖10為此燈頭的光強的遠場角度分布,由圖中可見,整燈的光斑形狀及配光曲線的形狀同單顆透鏡是一樣的,不同的是整燈的照度值和輻射強度值根據(jù)LED數(shù)量多少乘一個比例。3、LED道路照明系統(tǒng)的光學技術的發(fā)展趨勢由于所謂的二次光學是
6、在加在LED原有的一次光學透鏡之上的用來配光的二次光學透鏡,二次光學和一次光學之間或多或少的總存在一些耦合損耗的不利因素。隨著封裝技術和精密注塑成型技術的進步,用來配光的二次光學和LED芯片可以直接封裝在一起,以消除這部分的耦合損耗,即直接在一次光學透鏡上作配光。未來LED路燈的配光的趨勢有以下兩種：3.1直接在一次光學透鏡上作配光由于直接在LED的一次透鏡上面完成了配光設計,單個LED光學模組的尺寸大大的減小,并且大大減少了二次光學透鏡所帶來的光效上的損耗,從而可以大大簡化LED路燈的裝配機構。圖13單顆LED模組的光線追跡一次光學透鏡的曲面計算采用同上述的二次光學透鏡的曲面一
7、樣的計算方法,計算結合了邊緣光學原理以及曲面控制網(wǎng)格的節(jié)點法線矢量相匹配的方法,曲面的各網(wǎng)格線的輪廓經(jīng)計算之后,再利用3維造型軟件蒙上蒙皮,填充后生成透鏡實體。一次透鏡的建模完成之后,再將LED光學模組的實體輸入到LightTools軟件中進行光線追跡如圖13所示。為整燈的建模及光線追跡,由于沒有尺寸較大的二次光學,燈頭的結構變得比較簡單而且尺寸可以做得比較小(在散熱允許的條件下)。燈頭的組成只要把這些LED模組按照相同的方向排列組裝在PCB上即可。LED燈頭在12米遠處的光斑形
