陈 加 琦, 邹 念 育, 张 云 翠, 贺 晓 阳, 李 德 胜

( 大连工业大学 光子学研究所, 辽宁 大连 116034 )

0 引 言

随着“十城万盏”工程的启动和逐步推进,国家和社会对LED路灯的要求也从理论研究越来越走向实用化。1974年Schruben提出实现均匀圆形照明的自由曲面反光器[1]。2002年Harald Ries提出可投射出OEC字样的自由曲面透镜[2]。2002年,OEC公司的H.Ries和J.Muschaweck指出可以用数值求解偏微分方程的方法来构造自由曲面的面型[3]。他们用一个折射面将均匀强度的小光源发出的光在矩形均匀光斑范围内形成OEC公司的公司名称而且这三个字符的亮度是背景亮度的3倍。

香港理工大学工业及系统工程学系先进光学制造中心采用了边缘光线扩展度(Etendue)守恒的原理创建了一套自由曲面控制网格的节点矢量的精确计算方法,设计出在道路横向(X方向)产生±60°内均匀分布的配光,在纵向(Y方向)产生±30°内均匀分布的配光的方形光斑的自由曲面透镜[4],从而满足道路照明的配光要求。

针对不同的道路应用环境,LED路灯的配光需求也各不相同[5]。总体来说,限于光源的影响,未经配光的LED的配光呈现郎伯型,直接在道路上形成的光斑为圆形,容易形成斑马纹和造成眩光[6]。为了解决上述问题,需要对LED郎伯型的配光进行改进,也就是进行二次配光设计[7],将郎伯型的配光改变为蝙蝠翼型。本文针对道路照明要求,在给定光源的情况下,设计了一种简单有效的二次光学透镜,可以实现较好的照明效果。

1 道路照明要求

根据相关标准,可以得知道路照明所要达到的最低目标,这可以作为选择光源的参考依据和最终设计目标。

CJJ 45—2006机动车道道路照明要求[5]如表1所示。

表1 CJJ45—2006机动车道道路照明要求

本文针对次干路进行设计,所需要达到的目标如表1加粗内容所示,结合路灯的设计参数要求,例如路灯高度、间距、灯杆臂长、安装倾角、安装方式(单侧、双侧、交叉等)、路宽、道路表面材料类型[8]等,即可确定目标配光曲线。本设计针对的路灯安放及道路条件如表2所示。

表2 设计所需路灯安放及道路条件

Tab.2 The design requiring lights placed and road conditions

路灯高度/m路灯间距/m灯杆臂长/m安装倾角/(°)95040安装方式道路宽度/m路面材料眩光指数/%单侧8R3<10

其中R3表示对干燥路面的分类,R系列是欧洲国家的标准,一般我国也采用R类标准。R3类标准是指沥青混凝土路面,所含的砾石尺寸大于10 mm,纹理粗糙如砂纸并已磨亮。本文设计的路面为R3类。

根据表2可以确定长轴和短轴对应的角度分别为70o和30o。

除了上述参数以外,考虑到司机和行人对道路光色要求偏向暖白光,而且雾天的气象状态要求光线的穿透力要强,这也要求光线谱线尽量靠近黄色光谱。路灯的色温选择向暖白光逼近。

2 光源选取

光学透镜的常用材料有硅胶透镜、PMMA透镜、PC透镜和玻璃透镜等。

综合考虑透光率、生产效率、制造难度、耐热性和加工成本等因素,透镜一般采用PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯,俗称亚克力)材料,其透光率为93%。根据目标的光通量7 200 lm,可以计算出光源的光通量需要7 741 lm。下面给出一种符合要求的光源选取方案。

选取Glory Sky公司的GS100的大功率白光LED,功率为100 W,色温5 500～6 000 K,光通量为7 800～8 200 lm,发光角度为半平面180°郎伯型发光,发光面大小为26.4 mm×26.4 mm,厚度为1 mm,发光面上均匀排布了10串5并的LED光源体。

为了使设计更具有针对性,测得LED实际的配光曲线,如图1所示。此光源大致符合郎伯型的配光分布,和目标配光一样,绘制在直角坐标系中。

图1 郎伯型LED配光曲线

3 透镜的光学设计

传统路灯的设计思路是环带系数法。环带系数法是在已知光源配光和目标配光的情况下,采用合适的角度划分,将目标灯具配光曲线分成一系列的环带,每一环带都有对应的环带系数,对应光源也划分成一系列的环带。计算出灯具出射光分布中各环带内的光通量(环带内光通量=光强×环带系数)及灯具的出射总光通,以及光源各环带内的光通量及光源的出射总光通,找出光源划分角和灯具出射角之间的对应关系,根据此对应关系计算母线。

环带系数法适用于求解传统灯具的反射罩母线,其对应的是中心对称的情况。整体的反射罩可以通过对母线进行单轴旋转形成。

本文设计的二次光学系统为空间非对称,仅有一条母线不足以产生文中需要的自由曲面。为了保障在正交的两个方向上都得到均匀的照度分布,并且两个方向上各自取任意一点处的照度也要相等。因此需要把环带吸收法进行改进,分别求出长边(沿着道路方向)对应的母线和短边(垂直于道路方向)对应的母线。将短边的母线绕着长边的母线做旋转形成自由曲面。

即对同一个光源的设计在不同平面上应用了两次环带系数法,并根据相应的权重将两次的结果有机结合起来,从而得到一个全新的结构。

具体设计时,如图2所示,光线入射点为(xi,yi),θi为入射光线与竖直线之间的夹角；βi为轮廓切线与水平线之间的夹角；αi为出射光线与竖直线之间的夹角。根据环带系数法得出核心的入射光线和出射光线间的映射关系。设折射率为n,根据折射定律有

根据折射定律及上面得出的映射关系可以确定一条唯一的平面曲线。

根据长轴和短轴对应的出射角的不同,可以得出正交的两条包络线。

当母线起点初始矢径长度为33 mm时,得出的长轴和短轴包络线如图3所示。

在三维空间的上半平面内将短轴轮廓线绕长轴旋转,就可以构成透镜表面的三维轮廓线,将其导入到三维建模软件中即可得到对应的立体模型,如图4所示。本模型保存为合适的igs格式后可以用来进行后续建模分析及模型加工。

图2 透镜轮廓线求解角度对应关系

图3 长轴和短轴包络线

图4 透镜三维模型轮廓线

4 透镜的软件仿真

建立二次光学透镜实体后,需要对实体赋予材料特性和表面特性。根据前面的分析,使用PMMA作为透镜的制作材料。表面特性设为该材料对应的透光率,一般3 mm厚度时穿透率93%左右。该材料对不同波长光线的折射特性较为均匀,追迹时为了提高追迹效率使用单一波长即可。

添加LED的实体模型到Tracepro中进行光线追迹。LED的发光体赋予郎伯型空间几何体的发光特性,相对原点在Z轴方向上偏移-0.5 mm,使得发光面中心位于坐标原点。波长为单一的0.546 1 μm。单颗光通量设置为8 000 lm,追迹光线为10 000条。

如图5所示,照射平面上共接收到了8 802条光线,总光通量为7 040.9 lm。根据对结果的分析得出光斑有效长宽比为1∶2,全平面有效平均照度1 760.2 lx,全路面(包括人行道)照度均匀度为46.7%。其照度分布近似为一个矩形光斑。LED经过二次配光后的配光曲线为近似的蝙蝠翼型,如图6所示。

图5 单颗透镜在200 mm远处的辐照度分布

Fig.5 The irradiance distribution of single len in 200 mm distance

图6 单颗透镜的配光曲线

将追迹得到的配光曲线导入到DIALux中得出道路实际照明效果,如表3所示。对照表1,比较道路照明模拟结果和道路照明规范的要求,对无法满足要求的指标,返回透镜建模处进行修改。

重复此过程直到满足设计目标。

表3 路灯光学模拟结果

5 结 论

针对大部分出厂的高功率白光LED为郎伯型的光度分布,提出X、Y轴方向对称的自由曲面二次光学配光设计可以有效解决路灯的光型、出光效率、均匀性、配光角度、眩光和安全性等问题,道路照明光学手段将道路方向的配光曲线设计成蝙蝠翼形,得到了很好的均匀度。对提高LED路灯设计水平,实现绿色照明有参考意义。

[1] SCHRUBEN J S. Formulation of a reflector design problem for a lighting fixture[J]. Journal of the Optical Society of America, 1972, 62(12):1498-1501.

[2] 丁毅,郑臻荣,顾培夫. 实现LED照明的自由曲面透镜设计[J]. 光子学报, 2009, 38(6):1486-1490.

[3] SU Yi-cheng, WU Qi-guang. Numerical Solutions of Partial Differential Equations[M]. Beijing:China Meteorological Press, 1989:2-16.

[4] RIES H, MUSCHAWECK J. Tailored freeform optical surfaces [J]. Journal of the Optical Society of America A, 2002, 19(3):590-595.

[5] 中华人民共和国建设部. 城市道路照明设计标准(CJJ 45—2006)[S]. 北京:国家标准出版社, 2006.

[6] WOLF K B, KROTZSCH G. Geometry and dynamics in refracting systems[J]. European Journal of Physics, 1995, 16(1):14-20.

[7] 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.

[8] 罗毅,张贤鹏,王霖,等. 半导体照明中的非成像光学及其应用[J]. 中国激光, 2008, 35(7):963-971.