一种高效偏光地埋灯透镜设计及其光学检测

刘燕娟 杨和良 唐浚康

（广东德洛斯照明工业有限公司 广东省佛山市 528000）

1 引言

随着户外景观量化工程的加速扩张，对不同类型灯具的配光要求越来越新颖，也越来越严格[1]。照明效果及眩光控制成为景观灯具照明中尤为重要的技术要求。对于桥面、住宅楼、公园景观等场合的照明，当照明范围超出工作面要求尺寸时，会对周边的行人或居民产生明显的眩光，照成光污染[2]。因此对景观照明灯具要有一定的截光性要求。传统地埋灯通常采用对称配光照明和偏光照明。当需要偏光照明工作面时，通常将光源板或灯具出光面倾斜一定角度。这种透镜在地埋灯结构装配上增加了一定的难度，也增加了材料及工序的成本。还有一种方式对光学透镜表面进行倾斜设计，将光线偏向所需照明工作面。这种方式通常均匀性不高，且无法兼顾较高工作面照明和较宽距离布灯。

LED透镜配光设计目前已基本上应用在各个照明行业[3-5]，然而如何对透镜出光进行高效率的照明利用，成为目前亟待解决的重点。我们对地埋灯透镜设计进行技术创新，在垂直方向进行光会聚实现高应用面照明，在水平方向进行光发散实现远距离布灯的宽光照明。同时，在离墙方向进行了截光处理，提高了地埋灯在非照明区域的防眩光性能。

2 地埋灯光学设计及其原理

2.1 地埋灯应用面需求分析

以离墙0.5m，布灯间距2m，照射3m高墙面为例进行透镜设计分析，照明应用面如图1所示。将平行于被照面方向定义为C0°-C180°，垂直于被照面方向定义为C90°-C270°。透镜设计基于朗伯体光线分布的LED，主要实现地埋灯宽光照明，在C0°-C180°方向将光线发散，在C90°-C270°方向将光线会聚并偏向被照面。要实现地埋灯洗墙的照明需求，需对配光需求角度进行估算，在C0°-C180°方向半光强角度需达到150°左右。而要实现3m高度洗墙照明，根据照度与亮度之间的转换公式（其中，E为照度，I为光强，L为照射距离，θ为接收面法线与照射光线之间的夹角）推算可知，要实现均匀度0.4的洗墙照明，透镜配光曲线峰值光强在 C90°-C270°方向需达到1100cd/klm以上，强光区域集中在15°以内。对应的横向和纵向光强分布曲线图如图2和图3所示。

图1：地埋灯洗墙示意图

图2：地埋灯透镜横向光强分布计算图

图3：地埋灯透镜纵向光强分布计算图

2.2 光学透镜结构设计

为实现所分析的配光，需对透镜各方向进行结构设计，透镜整体结构如图4所示。透镜主体为半圆弧形结构，光线经入光面进行偏折后由出光面出射。要实现宽光照明，需在C0°-C180°方向将中心光强减弱，峰值光强往两端偏移，入光面在C0°-C180°方向整体宽高比控制在1.4-1.8的范围。曲线轨迹需分段进行精细控制，使朗伯体光源出射的光线在C0°-C180°方向往两端偏移，实现较宽间距布灯。透镜出光面轨迹在C0°-C180°方向整体宽高比控制在1.8-2.2的范围，主要依据入光面折射过来的光线轨迹进行设计，将曲线基本控制在与光线路径垂直，将光线保持原有路径出射。

图4：透镜设计外观图

在C90°-C270°方向透镜入光面和透镜出光面分别对不同角度范围内的光线进行不同程度的会聚，在相对被照面方向进行直面截光处理，以获得较好的眩光控制效果。透镜出光面与透镜入光面配合对朗伯体光源进行光线重新分配。透镜出光面在C90°-C270°方向对光线进行了聚焦，曲线变化幅度较大，且曲线峰值与灯珠中轴线偏离5°～10°，将光线集中在被照面高处且偏向墙面，实现高工作面照明。在相对被照面方向中轴线30°～45°以外曲线截止，同时在截断面处需打磨砂以获得较好的截光及防眩光效果。

2.3 设计结果仿真验证

所设计偏光地埋灯透镜极坐标光强分布曲线如图5(a)所示，半光强配光角度为10°*140°，可以满足相应的地埋灯照明需求。图5(b)为Tracepro仿真光斑图，可见此透镜出光为狭长型光斑，并实现5～10°的偏光效果。

图5：透镜配光曲线及光斑分布示意图

3 照度及色温均匀性检测

3.1 分布光度计测试结果

将所设计的偏光地埋灯进行开模打样品，用分布光度计进行光学测试，数据如图6所示。所设计透镜峰值光强实测值为1390cd/klm，50%光束角实测值为12*129°，峰值光强实测偏光约5°，实测光效为64.45lm/lm。测试数据与设计结果基本吻合，能够实现预期的照明效果。红色配光曲线在-90°～-10°几乎没有光线，做到精准截光无眩光。-5°～10°是光强最集中的区域，在15°～90°没有完全截光，而是进行了从强到弱的过渡处理，确保偏光照明物面的时候，从底部到顶部都能够均匀照明。

图6：分布光度计测试数据

3.2 灯具实测效果

将所设计的偏光地埋灯透镜组装成整灯灯具，进行实际出光的效果评判测试，如图7所示[6]。可以看出，灯具水平安装的情况下，出光大部分偏向墙面且在灯具中心离墙0.5米的安装环境下，照明宽度可以达到2～4m，照明高度可达到3～5m。出光均匀，亮暗过渡自然衔接，实现较好的宽光偏光照明。通过布灯角度的轻微调整，可以实现不同高度的偏光地埋灯照明。

图7：灯具实测效果图

4 结语

本地埋灯透镜根据实际照明效果的需求进行了精准的光强分布分析，将光强横向、纵向分布趋势及偏光角度分别进行了计算，从而依据理论计算结果进行透镜实物设计，以最大效率进行光学照明，并实现理想的照明效果。本地埋灯透镜设计的主要优势有：

（1）透镜水平安装，峰值光强偏光5°，实现偏光照明的效果，大大简化了灯体结构及组装工序。

（2）C0°-C180°方向的出光角度达到129°，可以实现远距离布灯。C90°-C270°方向的光集中会聚在15°以内，实测峰值光强达到1390cd/klm，可实现3-5m高度工作面的地埋灯偏光照明。

（3）光斑横向和纵向过渡均匀，无明显条纹和亮暗区。

（4）非照明空间截光良好，实现较好的防眩光照明，最大效率实现对出光的照明利用率。