常見(jiàn)問(wèn)題

1 離散擴(kuò)展光源的設(shè)計(jì)

區(qū)別于常規(guī)的單個(gè)透鏡配合單顆大功率LED燈珠或者COB光源設(shè)計(jì)的LED路燈，本文提出利用數(shù)量為(3N+1)的低成本中功率貼片LED燈珠(其中N≥1)，排成M(M≥3)列，并配合設(shè)計(jì)了一款LED路燈透鏡，此設(shè)計(jì)方法同樣適用于工礦照明等。該燈具的光源具有擴(kuò)展性和離散性，在透鏡設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮到光源發(fā)光面不連續(xù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)難度比一般透鏡的設(shè)計(jì)大[6]。在光源燈珠排布的探索中，經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，以相鄰三顆燈珠的中心點(diǎn)相連直線組成等邊三角形時(shí)出光效果最為理想，這種排列方式可降低因光源發(fā)光面的不連續(xù)而造成配光曲線的震蕩。

2 基于離散擴(kuò)展光源的LED路燈透鏡設(shè)計(jì)

該LED路燈透鏡是利用自由曲面光學(xué)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的[7]。其設(shè)計(jì)思路為：首先以LED點(diǎn)光源作為參考，把LED點(diǎn)光源發(fā)出的能量半球劃分為若干份能量單元，接著把目標(biāo)平面劃分為若干份面積單元，最后根據(jù)光學(xué)擴(kuò)展量守恒定律、折射定律以及邊緣光學(xué)原理，建立起能量單元與面積單元之間的能量對(duì)應(yīng)關(guān)系，并計(jì)算出生成自由曲面透鏡模型所需要種子線的坐標(biāo)。把種子線導(dǎo)入Solidworks等三維設(shè)計(jì)軟件里即可生成所需要的透鏡模型。這種基于能量網(wǎng)格劃分的透鏡設(shè)計(jì)方法已被廣泛應(yīng)用在LED配光設(shè)計(jì)中[8-9]。對(duì)于離散擴(kuò)展光源，在點(diǎn)光源的基礎(chǔ)上，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)種子線加以調(diào)整，可得到符合道路要求的配光曲線。本實(shí)例采用了中功率3030燈珠，以N=M=3，即10個(gè)燈珠排成3列為例，實(shí)現(xiàn)10顆燈珠3-4-3的排列(如圖1所示)，設(shè)計(jì)了基于離散擴(kuò)展光源的LED路燈透鏡。

圖1 10個(gè)3030燈珠構(gòu)成3-4-3等三角排列的離散擴(kuò)展光源
Fig.1 Discrete expended source with triangle arrangement consisted of ten 3030 LED

3 透鏡內(nèi)表面磨砂處理

由于光源是由10個(gè)3030燈珠組成，發(fā)光面不連續(xù)，這會(huì)給配光曲線造成震蕩，進(jìn)行影響光斑質(zhì)量。這在透鏡與燈珠之間存在較大裝配誤差時(shí)尤為明顯。該透鏡為偏光路燈透鏡，其進(jìn)光面，即透鏡內(nèi)表面被輕度磨砂處理。進(jìn)行磨砂處理后，由于磨砂微粒結(jié)構(gòu)的散射而產(chǎn)生的勻光作用，這類似于室內(nèi)燈具中全內(nèi)反射透鏡中的珠面處理[10]。該磨砂處理能使路燈的出光光斑亮度均勻，將大幅減小甚至消除因光源不連續(xù)而造成的光強(qiáng)起伏。而相對(duì)于光滑的透鏡來(lái)說(shuō)，內(nèi)表面被輕度磨砂后透鏡的配光曲線角度會(huì)較大一些，以及透光率較低一些。另外，磨礪的處理程度越高(顆粒越精細(xì))，燈具的發(fā)光角度越大，光輸出效率越低。因此，本工作對(duì)透鏡的內(nèi)表面只作了輕度處理，以便配光曲線在滿足道路照明標(biāo)準(zhǔn)的前提下，獲得較高的光輸出效率。

基于上述路燈透鏡的設(shè)計(jì)方法，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于三車道的LED偏光路燈透鏡。透鏡所用燈珠為Philips的白光LUXEON 3030 2D，其發(fā)光效率最高可達(dá)133 lm/W 。透鏡的三維模型如圖2所示，圖3為用于構(gòu)造三維模型所設(shè)計(jì)的種子線。

圖2 透鏡的三維模型圖：(a)上視圖；(b)下視圖
Fig.2 3D model of the lens: (a) top view; (b)bottom view

圖3 構(gòu)造透鏡三維模型所設(shè)計(jì)的種子線
Fig.3 The seed lines for the 3D design of the lens

4 仿真及開(kāi)模測(cè)試結(jié)果

利用Lighttools或Tracepro等光學(xué)仿真軟件對(duì)裝配后的透鏡模型與離散分布的LUXEON 3030 2D光源進(jìn)行光學(xué)仿真。透鏡所使用材料為聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)，光線追跡方式為蒙特卡羅光線追跡，所用光線數(shù)量為500萬(wàn)。圖4為光線追跡后得到的配光曲線，該配光曲線的角度約為75°×130°。圖中C0-C180曲線為沿車道方向的光強(qiáng)分布，曲線C90-C270為垂直于車道方向的光強(qiáng)分布。

圖4 離散擴(kuò)展光源配合設(shè)計(jì)透鏡光線追跡所得到的配光曲線
Fig.4 The designed IES for the discrete expended source

對(duì)光學(xué)仿真得到的IES文件(配光曲線)進(jìn)行道路照明分析并確認(rèn)其符合道路照明標(biāo)準(zhǔn)后，對(duì)透鏡進(jìn)行開(kāi)模打樣，然后對(duì)組裝后的燈具的配光曲線進(jìn)行實(shí)測(cè)。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用的儀器為遠(yuǎn)方配光測(cè)試儀(GO-HD5)，測(cè)試所得的配光曲線如圖5所示。實(shí)測(cè)的配合曲線的角度為77.2°×149.8°(C0×C90)，與設(shè)計(jì)角度相比，C0與C90的角度都變大了。角度變大的原因與透鏡開(kāi)模的精確，注塑工藝以及透鏡與燈珠的裝配誤差有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，需要保證實(shí)測(cè)角度在一定范圍里(對(duì)于本實(shí)例通常不超過(guò)85°×150°)，以便滿足城市道路照明設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 燈具實(shí)際測(cè)量所得到的配光曲線
Fig.5 The measured IES of the lamp

對(duì)從光學(xué)仿真和配光測(cè)試儀得到的IES(配光曲線)文件，可利用照明設(shè)計(jì)軟件DIALux進(jìn)行道路仿真分析。DIALux的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下：路面為10.5 m寬的三車道，燈桿安裝高度為10 m，燈桿間距為35 m(高距比為1∶3.5)，懸挑長(zhǎng)度為1.5 m，仰角15°，燈具總光通量為15 000 lm，燈具排列方式為單側(cè)布燈。選用瀝青R3路面進(jìn)行照明仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。仿真結(jié)果表明，對(duì)于設(shè)計(jì)值：照度均勻度UE，亮度總均勻度U0和亮度縱向均勻度UL分別為0.52，0.53和0.81；而對(duì)于開(kāi)模后的實(shí)測(cè)值：UE、U0和UL分別為0.50，0.51和0.79。因此，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值接近，且都能滿足《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2015)中道路配光的要求[12]。

圖6 對(duì)配光曲線進(jìn)行道路照明分析的結(jié)果
Fig.6 The analysis results for road lighting with IES

5 熱仿真分析

目前，LED散熱的方式主要有散熱翅片、熱電制冷技術(shù)、熱管技術(shù)、液冷和風(fēng)冷等[13]。其中，熱管技術(shù)具有技術(shù)成熟、傳熱迅速，溫差小等優(yōu)點(diǎn)，可有效消除“熱點(diǎn)”，使散熱面溫度均勻，廣泛應(yīng)用于分散熱源的溫度控制。本實(shí)例采用了銅制熱管外加鋁制翅片散熱器的散熱模組，分別對(duì)同等功率、同等發(fā)光面積的離散擴(kuò)展光源和COB光源進(jìn)行熱學(xué)仿真分析。離散擴(kuò)展光源是由10個(gè)0.5 W的3030燈珠構(gòu)成，而COB光源的功率為5 W，直徑為8.2 mm，面積約等于10個(gè)3030發(fā)光的總面積。3030燈珠和COB光源的熱阻分別為12 ℃/W和2 ℃/W，每個(gè)模組上各布置4個(gè)光源，共20 W。模組的熱學(xué)仿真分析使用Ansys熱分析軟件進(jìn)行。仿真中假設(shè)外界環(huán)境溫度為25 ℃，壓力為常壓。散熱模組仿真的溫度分布圖如圖7所示，仿真結(jié)果表明，離散擴(kuò)展光源的結(jié)溫為52.79 ℃，小于COB光源的53.48 ℃。因此，在同等功率下，高熱阻的離散排布的擴(kuò)展光源比COB光源有可能取得更高效的散熱效果。

圖7 散熱效果對(duì)比
Fig.7 Contrast of heat dissipation effect

6 討論與結(jié)論

本文采用多個(gè)中功率貼片LED與單個(gè)LED偏光路燈透鏡組合的方式，設(shè)計(jì)了基于離散擴(kuò)展光源的LED路燈。由于擴(kuò)展光源發(fā)光面不連續(xù)，相對(duì)連續(xù)光源來(lái)說(shuō)，實(shí)際開(kāi)模和裝配過(guò)程中出現(xiàn)的誤差更容易造成配光曲線的震蕩，因此本工作采取對(duì)透鏡內(nèi)表面進(jìn)行輕度磨礪的處理。雖然磨砂微粒結(jié)構(gòu)的光散射效應(yīng)產(chǎn)生了勻光作用，并能減小因?qū)嶋H誤差而引起的配光曲線起伏，但是磨砂處理同時(shí)會(huì)使燈具的輸出效率降低2%左右。另外，磨砂處理還對(duì)光線起發(fā)散作用，使實(shí)際的配合曲線的角度變大。本文利用光學(xué)仿真軟件進(jìn)行光線追跡實(shí)現(xiàn)理論驗(yàn)證，最后打樣并測(cè)試了燈具的配光曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)與理論分析結(jié)果都符合國(guó)家道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此，實(shí)際的配光曲線的角度，尤其是C0方向(沿車輛行駛方向)的角度有一定增加。配光曲線的角度變大容易引起道路照明分析中眩光值超出標(biāo)準(zhǔn)。因此，透鏡的內(nèi)表面磨砂處理程度不能太高，否則會(huì)影響到燈具的輸出效率和應(yīng)用范圍。

本文最后通過(guò)專業(yè)熱分析軟件在同等功率下對(duì)兩種不同光源進(jìn)行散熱仿真，仿真結(jié)果表明，采用離散擴(kuò)展光源的模組比采用COB的具有更低的結(jié)溫，且散熱效果更好。與此相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作后面還需要進(jìn)一步完善。

總的來(lái)說(shuō)，基于低成本離散擴(kuò)展光源的LED路燈設(shè)計(jì)能更好地在成本和產(chǎn)品穩(wěn)定性之間取得平衡，在成本壓力不斷上升的未來(lái)，會(huì)更有好的發(fā)展?jié)摿Α?