LED路燈的光學(xué)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

led，又稱發(fā)光二極管，具有效率高、耗電少、壽命長、安全性高和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。LED作為新一代的光源，已經(jīng)逐步為人們所接受并在照明領(lǐng)域里已經(jīng)有了初步的應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)的路燈照明

目前，用于路燈照明的光源類型主要有：金屬鹵化物燈、白熾燈和高壓鈉燈等。其中高壓鈉燈由于其高發(fā)光效率、長壽命、強(qiáng)穿透性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。其基本光學(xué)結(jié)構(gòu)由光源、反射器及透明燈罩組成。由于光源的光輻射幾乎占據(jù)整個(gè)空間的這個(gè)特點(diǎn)，因此需要采用對路燈的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行配光設(shè)計(jì)從而達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)路燈燈具的光度參數(shù)。通常高壓汞燈型路燈的反射器是采用拋物面凹槽進(jìn)行配光。它能調(diào)整使光照明在所需的區(qū)域。而采用LED作為新型路燈
圖1a 投射式結(jié)構(gòu)圖

圖1b 反射式結(jié)構(gòu)圖

2.2 照明光學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

照明光學(xué)設(shè)計(jì)屬于非成像光學(xué)設(shè)計(jì)，主要是從能量傳遞規(guī)律的角度對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究，基本采用非序列光線追跡，常用的計(jì)算照度的方法是采用蒙特卡羅方法。本文采用Tracepm光學(xué)仿真軟件進(jìn)行模擬仿真。設(shè)計(jì)的基本步驟如下：

(1)確定LED光源的數(shù)量，建立光源的模型并設(shè)置其參數(shù);

(2)建立混合式反射罩結(jié)構(gòu)的三維模型;

(3)確定LED光源的排列方式，并利用光學(xué)軟件進(jìn)行仿真;

(4)對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，比較仿真結(jié)果與道路照明配光要求的差異;

(5)根據(jù)仿真結(jié)果中的差異或未達(dá)到要求的部分，對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)修正，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 混合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域，而其難點(diǎn)在于反射器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，就是如何設(shè)計(jì)出符合所需要的光學(xué)照明配光要深圳市的反射面面型。為了把反射光線定向到指定的照明區(qū)域，有兩種可能的途徑，即光源發(fā)出的光線向同側(cè)反射和向?qū)?cè)反射，分別如圖2a和圖2b所示。

圖2a 同側(cè)反射方式

圖2b 對側(cè)反射方式

針對所使用LED光源的發(fā)光特性和照明范圍的要求，本文中采用向?qū)?cè)反射的方式分別對X方向和Y方向的反射面面型進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以滿足現(xiàn)場道路照明的需求。光源置于橢球的前焦點(diǎn)Fl處，如圖3所示是橢球反射面模型。‖

圖3 橢球反射面模型

橢球反射面的表達(dá)方程式為：

式中a、b分別為橢球的半長軸、半短軸。

而圖3中的f1，f2分別表示橢球頂點(diǎn)到2個(gè)焦點(diǎn)，F(xiàn)1和F2的距離，其表達(dá)式如下：

通過調(diào)整橢球的長短軸a和b的尺寸，可以改變橢球反射面的半焦距長度，從而可以改變出射光的角度，以確保出射光能照射在所需的照明區(qū)域內(nèi)。

2.4 照度的計(jì)算方法

目前采用的照度計(jì)算公式通常都是基于如圖4的計(jì)算模型，其中，ds代表軸上點(diǎn)附近的物面上的微小面積ds''''，代表軸上點(diǎn)附近像面上的微小面積， U表示物方孔徑角、 U''''表示像方孔徑角，而物面亮度為L像面亮度為L'''' ，物方ds在立體角U范圍內(nèi)所發(fā)出的光通量Φ則可以表示為：

則從出瞳入射到像面微面積出ds''''上的光通量φ'''' 為：

于是可得到像面的照度E'''' 為：

當(dāng)物療空問和像方空間的介質(zhì)一斂時(shí)，像面亮度L ''''等于物面亮度L與系統(tǒng)透射率τ0的乘積，即：

則(6)式就可以表示為：

圖4 照度計(jì)算模型示意圖

2.5 LED光源的排列方式

現(xiàn)階段單顆LED的發(fā)光效率有限，要應(yīng)用于LED路燈照明中，需要將多個(gè)LED以一定的形狀陣列，出于燈具成本的考慮，在達(dá)到照明要求的同時(shí)希望采用盡可能少的LED，這就需要找到一種合適的排列方式。而根據(jù)LED光源的發(fā)光特性及道路照明的基本要求，本文采用10×6的陣列形式，同時(shí)對每一列光源進(jìn)行不同角度的偏轉(zhuǎn)。

2.6 仿真結(jié)果