LED路燈光學系統(tǒng)的混合型反射罩結構設計

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、強穿透性等優(yōu)點而被廣泛采用。其基本光學結構由光源、反射器及透明燈罩組成。由于光源的光輻射幾乎占據(jù)整個空間的這個特點，因此需要采用對路燈的光學系統(tǒng)進行配光設計從而達到國家標準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作為新型路燈照明的光源，就需要尋求一種新的配光模型為LED光源配光，以達到路燈照明的光度指標。

　　2 LED路燈的光學設計思路

　　2.1 LED路燈光學系統(tǒng)

　　對于LED路燈的光學結構大致分為兩種：投射式和反射式。投射式路燈光學結構通常由旋轉(zhuǎn)拋物線型反射罩和透鏡組成，但是單一的這種結構還達不到路燈照明的配光要求，所以必須采用透鏡來進行再次配光，如圖1a所示，這種方式對反射罩和配光鏡之間的配合要求很高，給設計、安裝和維護增加了難度。而反射式光學結構，其結構如圖1b所示，由于只需對反射罩進行配光設計，所以被越來越多的光學設計者采用。本文也是采用反射式光學結構，并對反射罩進行了混合式結構設計。

　　圖1a 投射式結構圖

　　圖1b 反射式結構圖

　　2.2 照明光學計算機輔助設計

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

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

　　(2)建立混合式反射罩結構的三維模型;

　　(3)確定LED光源的排列方式，并利用光學軟件進行仿真;

　　(4)對仿真結果進行分析，比較仿真結果與道路照明配光要求的差異;

　　(5)根據(jù)仿真結果中的差異或未達到要求的部分，對相應參數(shù)進行反復修正，直到滿足設計要求。

　　2.3 混合式結構設計

　　目前，反射式光學結構已經(jīng)應用于越來越多的領域，而其難點在于反射器結構的設計，就是如何設計出符合所需要的光學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行了設計，以滿足現(xiàn)場道路照明的需求。光源置于橢球的前焦點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分別表示橢球頂點到2個焦點，F(xiàn)1和F2的距離，其表達式如下：

　　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 照度的計算方法

　　目前采用的照度計算公式通常都是基于如圖4的計算模型，其中，ds代表軸上點附近的物面上的微小面積ds'，代表軸上點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：

　　當物療空問和像方空間的介質(zhì)一斂時，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，要應用于LED路燈照明中，需要將多個LED以一定的形狀陣列，出于燈具成本的考慮，在達到照明要求的同時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，同時對每一列光源進行不同角度的偏轉(zhuǎn)。

　　2.6 仿真結果

　　圖5是采用光學軟件Tracepro進行多次仿真模擬得到的結果。

　　圖5a是照明區(qū)域分布模擬效果圖，從圖中可以看出通過對反射罩的設計和光源排列角度的控制，在給定照明區(qū)域內(nèi)基本形成均勻照明，這樣既提高了光源的利用率、減少了光污染、保護了人眼健康，同時又有效的提高了駕駛員對路面情況的辨識。而圖5b是照度分布圖。

　　圖中范圍較寬的曲線表示0度方向(即車輛行駛方向)的照度分布，范圍較窄的曲線表示9o度方向的照度分布。從圖5b可以清晰的看到，9o度方向E照度分布在121x左右比較均勻，而0度方向上，照度在IOX至141x之間變化：只是在邊緣區(qū)域小范圍內(nèi)的照度比平均照度偏低，不過還是基本達到了國家標準所要求的照明區(qū)域內(nèi)10X至151x的照度要求。

　　圖5 仿真結果

　　3 結論

　　本文針對LED路燈的光學系統(tǒng)進行了混合型反射罩結構的設計，從仿真模擬得到的結果來看，基本達到了照明區(qū)域內(nèi)均勻矩形配光的要求，下一步將繼續(xù)開展如何提高矩形配光的邊界性與照明區(qū)域的照度均勻度，并結合大功率LED光源本身的發(fā)光特性對反射罩和光源的偏轉(zhuǎn)角度進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)所需的配光設計，或從新型的反射罩結構等角度進行研究與探索。