低眩光对称式LED路灯光学设计

陶 曾,王 敏,黄胜邦,徐 雯,王 芬,夏 兵

(福建师范大学 光电与信息工程学院光子技术福建省重点实验室，福建 福州 350007)



低眩光对称式LED路灯光学设计

陶 曾,王 敏,黄胜邦,徐 雯,王 芬,夏 兵

(福建师范大学 光电与信息工程学院光子技术福建省重点实验室，福建 福州 350007)

给出一种低眩光对称式LED照明路灯的光学设计方案。通过对LED路灯的光学结构和灯具配光效果进行研究，利用自由曲面设计出外形类似花生米的LED路灯光学透镜，得到蝙蝠翼型的配光曲线。同时，调整LED单元数量和阵列的排列方式，通过光学模拟软件进行仿真，从而达到低眩光、高均匀的矩形配光。其中平均照度Eav为30.96lx，均匀度Emin/Eav为0.83，出光率为92.3%。

光学设计；LED路灯；自由曲面；蝙蝠翼型配光曲线；均匀矩形照明

引言

随着LED路灯技术的发展，其发光效率逐步提高，使得LED路灯的应用市场更加广泛。然而，LED路灯在技术上还不够成熟，如：LED路灯照射过于集中，均匀度差；眩光严重；本身重量偏大，不利于安装,防风；散热问题不易解决等。

目前市场上的LED 路灯光源的光强分布均为朗伯型分布[1]，若未经过一定的配光设计，LED 路灯照射在道路上的光将呈圆形光斑，这将导致其照度均匀度较差，并造成靠近LED路灯杆的下方的亮度比较高，两根灯杆之间容易出现暗区。此外，LED路灯照射的光约有50%[1]散落在道路之外，没有被充分利用起来，还会产生眩光影响车辆或行人，无法满足道路照明的要求。本文通过结构设计、光学软件仿真反复修改设计出一种更完善的LED路灯光学透镜它具有良好的实际应用价值。

1 光源主要参数性能选取

1.1 灯具的选择

一般情况下，根据光强分布把道路照明灯具分为三类(表1)[2]。

根据CJJ 45—2006《城市道路照明设计标准》[2]可知半截光型灯具可获得较高的路面亮度与亮度均匀度，对水平光线有一定程度的限制，同时横向光线也有一定程度的延伸，所以选择半截光型作为本次设计的灯具。

表1 道路照明灯分类Table 1 Road light classification

1.2 配光曲线的选择

通过调整路灯LED(单元)数量的多少来满足平均亮度或平均照度指标；通过路灯的配光方案来实现均匀度指标。使光线尽可能投射到被照的路面区域，获得符合道路照明要求的光强分布。矩形光斑是路灯配光的最好选择。因为在灯杆之间的距离较长的情况下，“蝙蝠翼”配光的LED路灯灯具可以将光照射到大约为杆距一半的距离，形成两灯之间的光交叉，避免两灯之间出现暗区，可以更好地满足对路面亮度和照度的要求。LED路灯配光曲线表达式[4]为Iθ=I0/cos3θ。

1.3 透镜的选择

本次LED路灯设计选择“花生米”型的光学透镜结构是因为一般路灯照明为圆形光斑，它存在着明显差异亮暗区，使得路面上无法形成较好的光斑均匀度，造成远处的车辆眩光问题，从而引发了事故。使用“花生米”型光学透镜的设计既能够得到较好的蝙蝠翼形的配光曲线，又可以在路面上形成较好的矩形光斑，并且达到较好的均匀度。

2 初始设计方案

本次设计的LED路灯对象是次干路，表2列出了其各项城市道路照明标准。

表2 城市次干路照明设计标准Table 2 design standard of city secondary trunk road

灯具的悬挑长度不宜超过安装高度的四分之一，灯具的仰角不宜超过15°。由眩光限制配光要求以及道路路面照度、亮度要求的综合考虑，本次设计中LED路灯的仰角取10°(表3)。双侧对称式LED路灯布置不仅美观，而且照度均匀性比单侧布灯好，更适合较宽道路的特点，所以本次设计选择双侧对称式LED路灯布置。

表3 道路设计方案Table 3 design plan of the road

由120颗1W、100lm规格的LED单元阵列混联而构成LED路灯；根据LED光源的发光特性及城市道路照明的基本要求，本设计采用8×15阵列方式。

对“花生米”型光学透镜进行测绘，利用Pro-e三维结构软件绘制结构如图1所示，利用TracePro光学仿真软件进行仿真后的结果如图2所示。

图1 初始透镜结构Fig.1 Initial structure of lens

通过TracePro光学软件对初始LED路灯透镜结构进行仿真，观察分析光照度图可知，最大值为0.3244lx，平均值为0.083lx，均匀性较差；由配光图可以看出配光效果呈扇形，效率只有54%。因此，所测绘出的透镜参数不仅达不到设计要求，还没有办法满足CJJ 45—2006《城市道路照明设计标准》。

图2 仿真分析参数Fig.2 Parameter of simulation analysis

3 改进方案

经过不断仿真和分析可知，构成“花生米”型透镜的其中三条自由曲线(如图3所示)对仿真效果有很大的影响，因此，对它们进行反复修改和仿真，最终将得到满足设计目标和城市道路指标的路灯透镜结构。最优LED路灯“花生米”型的光学透镜结构如图4所示。

图3 透镜结构的左视图Fig.3 Left view of the lens

图4 最终透镜结构Fig.4 Final structure of lens

4 路灯设计

4.1 单颗LED模拟设计

利用TracePro光学软件对单颗LED(1W、100lm)仿真的结果如下所示：

由图5分析计算可知：Emin/Emax=0.12/0.43=0.30；照度均匀度Emin/Eav=0.12/0.14=0.86；平均照度Eav=0.14lx。

由图6、图7可知，单颗LED光源的光效=83%；发光角在100°到120°之间；配光曲线呈“蝙蝠翼”型。综上指标，皆满足城市照明要求。在尽可能地减少反向光输出的情况下，通过仿真所设计出的透镜得到它的光输出情况如图8所示，它的出光率=1-7.7%=92.3%。

4.2 道路规格模拟设计

采用120颗LED装配路灯，设置光学软件参数为一百个计数点，一万条光线，平滑度为六十，经过仿真得到光照度图、功率密度图和配光图如图9～图11所示。

图5 光度学图Fig.5 Picture of photometry

图6 功率密度图Fig.6 Picture of power density

图7 配光图(A—0.0；B—90.0)[W/sr]Fig.7 Picture of light distribution (A—0.0；B—90.0)[W/sr]

图8 出光图Fig.8 Picture of glaring

由图9可以得到Emin/Emax=25/64=0.39；照度均匀度=Emin/Eav=25/30=0.83；平均照度Eav=30.96lx。设计结果与标准比较见表4。

由图10可知：功率密度最小值=7.0×10-9W/m2,功率密度最大值=0.64W/m2,照明功率密度(LPD)=功率密度平均值=0.30W/m2。

由图11得到LED路灯的效率可以达到74%，经过镀膜以后的透镜，它的效率将会提高。

5 总结

本文通过对路灯光学结构以及灯具的配光特性进行研究，用三维结构软件ProE设计并绘制出LED路灯的光学透镜结构，并经过LED面阵排列、TracePro软件对其进行光线仿真来模拟路面的光照情况，得到光度图和配光曲线。通过不断地检测与修正，最终得到较理想的低眩光、较好的均匀度的LED路灯光学系统；并在后期利用ProE进行对LED对称式路灯的光学结构和道路建模，获得较好的LED对称式路灯方案。

图9 120W LED路灯光照度图Fig.9 Picture of 120W LED streetlight illumination

图10 120W LED路灯功率密度图Fig.10 Picture of 120W LED streetlight power density

图11 120W LED路灯配光图Fig.11 Picture of 120W LED streetlight light distribution

指标平均照度Eav/lx照度均匀度Emin/Eav功率密度值/W/m2标准80.35<0.70设计结果30.960.830.30

[1] 蒋金波，杜雪，李荣彬.LED路灯透镜的二次光学设计介绍[J].照明工程学报，2008，19(4)：59-65.

[2] 中华人民共和国建设部.CJJ45—2006城市道路照明设计标准[S].北京：中国建筑工业出版社,2007.

[3] 杨光.大功率发光二级管(LED)路灯配光方案[J].光源与照明，2009，12，(4)：17-21.

[4] 罗元，毛建伟.LED路灯配光方案研究[J].灯与照明，2011，35(2)：43-46.

[5] 陈晓华，刘伟.LED照明——道路灯具[J].照明工程学报，2009，20(增刊)：130-134.

Optical Design of Low Glare Symmetric LED Street Light

Tao Zeng, Wang Min, Huang Shengbang, Xu Wen, Wang Fen, Xia Bing

(FujianProvincialKeyLabofPhotonicTechnology,CollegeofPhotoelectricandInformationEngineering,FujianNormalUniversity,Fuzhou350007,China)

This paper presents an optical design of low-glare symmetric LED street lamp. Through the study of optical structures and light distribution effects of LED street lamps, its optical lens is designed into peanuts liked shape by using free-form surface. Then we get the bat wing light distribution curve. Meanwhile, the volume and array of LED are adjusted and simulated by optical simulation software, so as to achieve a low-glare, high uniformity rectangular light distribution. The average illuminanceEavis 30.96 lx, evennessEmin/Eavis 0.83, and the light extracting rate is 92.3% .

optical design; LED street light；freefrom surface；light distribution；even illumination

TN923.34

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.017