LED隧道灯透镜的全偏光设计

李柏林，关烨锋，罗婉霞

(广州广日电气设备有限公司，广东 广州 511447)

引言

随着国内的环境污染问题日益突出，节能减排受到了前所未有的重视。LED作为第四代照明光源，具有节能、环保、寿命长等优点，已被广泛应用在室内、户外以及特殊照明上。

目前大多数的LED属于(近)朗伯型光源，为了使LED的发光分布符合实际应用，需要对LED进行二次配光。现有的LED配光有反射式(反光杯)和折射式(透镜)等方式，其中折射式配光对光的控制性强，被广泛应用于道路和隧道照明中。为了使LED照明灯具有更高的能量利用率，目前道路灯具的配光多数采用偏光形式。这里的偏光指的是灯具的配光沿着车辆行进方向为对称分布，而垂直于车辆行进方向为非对称分布，如图1所示。

随着道路照明设计的不断发展，道路配光的评价标准从过去的照度均匀逐渐发展成为以亮度均匀为主，照度均匀为辅[1]。配光曲线反映了灯具在空间某个截面上光强与发光角度的关系。一个理想的配光曲线的设计需要综合考虑灯具的安装高度、灯杆间距以及路面宽度等参数，使路面照度、亮度以及阈值增量等评价道路照明质量的参数指标都符合标准，并达到高效、健康和节能的照明目的。本文提出一种新型的全偏光透镜，其配光曲线沿着和垂直于车辆行进方向都是非对称分布。这种透镜可以在得到足够亮度均匀度的情况下，减小光幕效应对驾驶员的影响。

图1 传统偏光透镜的配光曲线：曲线C0-C180和C90-C270分别为沿着和垂直于道路方向的光强分布Fig.1 Light distribution curve of traditional asymmetric lens. Curve C0-C180 and C90-C270 are along and perpendicular to the road direction, respectively

1 全偏光LED透镜的设计

1.1 设计原理

道路配光设计的目的是为驾驶员提供舒适的照明环境，保证道路交通安全。在不同的道路环境中，要有相对应的配光设计，其中隧道是一个特殊的道路照明环境。在大多数的隧道中，车辆单向行驶，来自上前方灯具的直接灯光和下前方地面的反射光构成了驾驶员的视觉效果，如图2所示。隧道灯具的配光设计要保证路面亮度有足够均匀度的同时，尽量减少灯光对人眼的直接照射(减少眩目)。灯具发出的光线可以分为两类，正向传播光线和逆向传播光线。正向传播光线只会产生反射光，形成路面亮度；小角度的逆向传播光线产生反射光，形成路面亮度，而大角度的逆向传播光线能直接入射到人眼，形成光幕而产生眩目。光幕的影响越大，人眼对物体的分辨能力就越弱。

图2 灯具的光线传播示意图Fig.2 Schematic of light propagation of luminaire

光幕的影响程度用眩光限制阈值增量(TI)来衡量，《城市道路照明设计标准CJJ45—2006》规定了三种道路类型中TI的初始最大值。在道路照明中，路面亮度在0.05cd/m2～5cd/m2的情况下，可用以下公式计算：

(1)

其中，Lv为等效光幕亮度；Lav为路面平均亮度；n为同排500m范围里的灯具总数[2]；K为年龄系数，一般取10(23岁观察者)；Eeyei为第i个灯具在人眼视线方向上在视网膜上的照度；θi为第i个灯具入射到人眼的光线方向与人眼视线方向的夹角。

一般驾驶员注意的区域在正前方60～160米，相对于水平面的角度约为1°。因此，在灯杆高度和灯杆间距一定的情况下，要减小灯具大角度的光强值以降低TI值，如图3所示。

图3 灯具在大角度的光强分布会对驾驶员造成眩目影响Fig.3 The light intensity at large angle of the light distribution curve can cause glare for the drives

从道路照明质量方面看，给驾驶员视觉舒适性带来影响的主要有“斑马纹”和眩光[3]。“斑马纹”主要是由路面的纵向亮度均匀度(UI值)过低造成的，而眩光则是由于灯具纵向(沿车道方向)的发光角度过大。增大灯具的纵向发光角可以提高UI值，但是这使得眩光光线的Eeyei过大，增加了TI值。因此，提高亮度均匀度和降低眩光值之间就存在着竞争关系。

不同于传统隧道灯沿沿车道方向的对称配光(完全对称或半偏光)，完全非对称(全偏光)的配光更具有灵活性。首先，完全非对称配光可使逆向传播的光线角度不会过大，而正向传播的光线角度适当放大一些，能量更多一些，以保证隧道路面有足够大的亮度均匀度。其次，在两灯之间的考察区域内，亮度是由主要相邻的两个灯具的光线引起的，非对称设计相对于对称配光设计来说，亮度均匀的优化设计就增加了一个自由度。

1.2 设计方法

全偏光LED隧道灯透镜的设计思路为：首先把LED光源发出的能量半球划分为若干份能量单元，接着把目标平面划分为若干份面积单元，最后根据光学扩展量守恒定律、折射定律以及边缘光学原理，建立起能量单元与面积单元之间的能量对应关系，并计算出生成自由曲面透镜模型所需要种子线的坐标。把种子线导入Solidworks等三维设计软件里即可生成所需要的透镜模型。这种基于能量网格划分的透镜设计方法已被广泛应用在LED配光设计中[4-6]。光源能量和目标平面的划分如图4所示。LED的半球面发光情况使用角度(u,v)来表示，如图4(1)所示。其中O点位于LED发光的中心，并且光强的最大值沿Z轴方向。另外，每一份能量单元的大小通过(Δu,Δv)来划分，并且对应着目标平面区域上的面积单元(Δx,Δy)，如图4(2)所示。每一份能量单元的大小为：

(i=0,1,…M;j=0,1,…N)

(2)

能量单元与目标面积单元的划分，影响着最终配光的效果。能量划分算法通常是把LED的能量半球进行能量等份划分，而对于目标区域(如车道)则通过调整面积单元(Δx,Δy)的大小来进行能量分配。如果能量单元被分配到一个面积较小的面积单元(Δx,Δy)，则该区域的能量密度就较高；反之较小，如图4(3)所示。通过这种能量重新分配的设计方法可实现LED的偏光控制，其详细的分析与计算过程可参考相关文献[7]。这种把LED的圆形发光划分为矩形网格的方法，符合长方形的道路实际需要，提高了灯具能量利用率。

图4 (1)LED半球面发光的空间角度表示，(2)、(3)LED发光球面上能量单元与目标面上面积单元的对应关系Fig.4 (1) The spherical coordinates representation of LED radiation， (2)、 (3) The corresponding relation of energy unit on the radiation sphere surface and area unit on target plane

自由曲面透镜的关键坐标点是通过科学计算软件Matlab程序把上述的设计思路转化为数学语言计算出来的，通常直接出来的坐标点并不能直接得到道路需要的透镜模型，主要原因有以下几个方面。首先，计算程序是把LED光源简化为点光源，然后利用光学中的折射定律进行自由曲面求解。然而，实际LED的发光面相对于透镜来说尺寸较大，这会造成计算结果有误差。另外，LED的光强分布通常也不是理想的朗伯分布，即LED的光强分布呈余弦变化。其次，在种子线的计算过程中，由于后一个点的计算是以前一个点作为参考，所以种子线会出现计算的累积误差。最后，道路照明应用需要考虑亮度均匀性，而原始的计算方式只是以能量(照度)均匀性来计算的。因此，在程序中需要引入适当的网格调制因子以修正误差[8]，并能量分布满足道路照明的亮度均匀性需要。

1.3 设计实例及结果分析

基于上述算法，本实例设计了一个适用于两车道的全偏光LED隧道灯透镜。透镜所用灯珠为Philips的白光Luxeon T，其发光效率最高可达130lm/W。透镜的三维模型如图5(1)所示，图5(2)为用于构造三维模型所设计的种子线。

图5 (1)全偏光透镜的三维模型，(2)用于构造三维模型所设计的种子线Fig.5 (1) The 3D model of the totally asymmetric lens， (2) Seed lines for constructing the 3D model

利用Tracepro等光学模拟软件对透镜模型与Luxeon T光源进行光学模拟。设定透镜所用材料为聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)，并使用蒙特卡罗光线追迹。图6为使用100万条光线模拟后得到的配光曲线，此配光曲线的角度约为55°×130°。图中C0-C180曲线为沿车道方向的光强分布，并且最大值在车辆行使方向；曲线C90-C270为垂直于车道方向的光强分布。

图6 全偏光透镜的配光曲线：曲线C0-C180和C90-C270分别为沿着和垂直于道路方向的光强分布Fig.6 The light distribution curve of totally asymmetric lens: Curve C0-C180 and C90-C270 are along and perpendicular to the road direction, respectively

在光学模拟软件导出IES文件后，可利用照明设计软件DIALux进行道路模拟分析。DIALux的各项参数设置如下：安装高度为5.5米，灯杆间距12米，悬挑长度为0米，仰角为15°，灯具总光通量为5000lm，灯具排列方式为双排相对布灯。选用沥青R3路面进行照明仿真，仿真结果如图7所示。模拟结果显示，照度均匀度UE，亮度总均匀度Uo，亮度纵向均匀度UL分别为0.88、0.86和0.91，远高于国家标准要求的0.4、0.4和0.7；眩光限制阈值增量也优于国家标准要求10[9]。

图7 全偏光透镜模型的道路场景仿真结果Fig.7 The simulation result of the road scene with the totally asymmetric lens

另外，模拟结果显示路面的平均照度Eavg和平均亮度Lavg分别为49 lx和2.37 cd/m2，根据照度亮度比的计算式，可算出照度亮度比R[10]:

(3)

此R值在《公路隧道通风照明设计规范JTJ 026.1—1999》的推荐值范围(15～22lx·m2·cd-1)之内，符合节能标准。由于隧道对周边照度系数没有要求，本工作未对此参数进行优化[11]。

2 结论

本文运用非成像光学理论，基于LED能量网格划分设计了一款全偏光的LED隧道灯透镜。不同于传统灯具中沿道路行驶方向的配光为对称分布的配光方向，本工作通过结合考虑道路照明设计中照度均匀度、亮度均匀度以及眩目阈值增量等要求，对LED的原始光强分布与目标面进行合理地对应，设计出适合隧道环境应用的透镜。该透镜抑制了灯具逆向传播方向的发光角度和强度，以减少对驾驶员的眩目效果；同时增大了正向传播方向的角度和光强，以达到照度和亮度均匀度的目的。在照明分析软件DIALux的验证中，实现了UE=0.88，UO=0.86，UL=0.91，TI=6的照明效果。研究结果显示，全偏光的LED隧道灯透镜设计十分适合于隧道照明应用。

[1] 邹吉平，李丽，解全花，等.LED道路照明灯具配光设计的误区分析——照度均匀性并非亮度均匀性[J].照明工程学报，2009，20(S1)：46-52+58.

[2] 刘磊实.城市道路照明设计中失能眩光的计算与控制[J].照明工程学报，2008，19(01)：77-80.

[3] 北京照明学会照明设计专业委员会.照明设计手册(第2版)[M].北京:中国电力出版社，2006.

[4] A. J. W. Whang, Y. Y. Chen and Y. T. Teng. Designing uniform illumination systems by surface-tailored lens and configurations of LED arrays[J]. Journal of Display Technology, 2009, 5(3):94-103.

[5] F. Chen, K. Wang, Z. Qin, D. Wu, X. B. Luo, S. Liu. Design method of high-efficient LED headlamp lens[J]. Optics Express. 2010,18(20):20926-20938.

[6] 史永胜，买迪，宁磊.实现道路均匀照明的LED自由曲面透镜设计方法综述[J].照明工程学报，2010，21(05)：73-77.

[7] 王恺.大功率LED封装与应用的自由曲面光学研究[D].武汉：华中科技大学，2011.

[8] 石智伟，闫国栋，邓国强，等.面向LED扩展光源的新型反馈修正设计方法[J].照明工程学报，2013，25(04)：85-89.

[9] 中华人民共和国行业标准.CJJ45—2006城市道路照明设计标准[S].中华人民共和国建设部，2006.

[10] 邹吉平，王健.LED道路照明灯具配光设计的误区分析——矩形配光无法满足道路照明[C].福州：经济发展方式转变与自主创新——第十二届中国科学技术协会年会，2010.

[11] 中华人民共和国交通部.JTJ 026.1—1999公路隧道通风照明设计规范[S].中华人民共和国交通部，2006.