LED隧道燈透鏡全偏光設計技術(shù)解析

隨著(zhù)國內的環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，節能減排受到了前所未有的重視。LED作為第四代照明光源，具有節能、環(huán)保、壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應用在室內、戶(hù)外以及特殊照明上。

　　目前大多數的 LED 屬于 (近) 朗伯型光源，為了使 LED 的發(fā)光分布符合實(shí)際應用，需要對LED進(jìn)行二次配光?，F有的 LED 配光有反射式 (反光杯) 和折射式 (透鏡) 等方式，其中折射式配光對光的控制性強，被廣泛應用于道路和隧道照明中。為了使 LED 照明燈具有更高的能量利用率，目前道路燈具的配光多數采用偏光形式。這里的偏光指的是燈具的配光沿著(zhù)車(chē)輛行進(jìn)方向為對稱(chēng)分布，而垂直于車(chē)輛行進(jìn)方向為非對稱(chēng)分布，如圖 1 所示。

　　隨著(zhù)道路照明設計的不斷發(fā)展，道路配光的評價(jià)標準從過(guò)去的照度均勻逐漸發(fā)展成為以亮度均勻為主，照度均勻為輔。配光曲線(xiàn)反映了燈具在空間某個(gè)截面上光強與發(fā)光角度的關(guān)系。一個(gè)理想的配光曲線(xiàn)的設計需要綜合考慮燈具的安裝高度、燈桿間距以及路面寬度等參數，使路面照度、亮度以及閾值增量等評價(jià)道路照明質(zhì)量的參數指標都符合標準，并達到高效、健康和節能的照明目的。本文提出一種新型的全偏光透鏡，其配光曲線(xiàn)沿著(zhù)和垂直于車(chē)輛行進(jìn)方向都是非對稱(chēng)分布。這種透鏡可以在得到足夠亮度均勻度的情況下，減小光幕效應對駕駛員的影響。

　　圖1 傳統偏光透鏡的配光曲線(xiàn): 曲線(xiàn) C0-C180 和 C90-C270分別為沿著(zhù)和垂直于道路方向的光強分布

　　1 全偏光 LED 透鏡的設計

　　1. 1設計原理

　　道路配光設計的目的是為駕駛員提供舒適的照明環(huán)境，保證道路交通安全。在不同的道路環(huán)境中，要有相對應的配光設計，其中隧道是一個(gè)特殊的道路照明環(huán)境。在大多數的隧道中，車(chē)輛單向行駛，來(lái)自上前方燈具的直接燈光和下前方地面的反射光構成了駕駛員的視覺(jué)效果，如圖 2 所示。隧道燈具的配光設計要保證路面亮度有足夠均勻度的同時(shí)，盡量減少燈光對人眼的直接照射 (減少眩目)。燈具發(fā)出的光線(xiàn)可以分為兩類(lèi)，正向傳播光線(xiàn)和逆向傳播光線(xiàn)。正向傳播光線(xiàn)只會(huì )產(chǎn)生反射光，形成路面亮度; 小角度的逆向傳播光線(xiàn)產(chǎn)生反射光，形成路面亮度，而大角度的逆向傳播光線(xiàn)能直接入射到人眼，形成光幕而產(chǎn)生眩目。光幕的影響越大，人眼對物體的分辨能力就越弱。

　　圖2 燈具的光線(xiàn)傳播示意圖

　　光幕的影響程度用眩光限制閾值增量 (TI) 來(lái)衡量，《城市道路照明設計標準 CJJ45—2006》規定了三種道路類(lèi)型中 TI 的初始最大值。在道路照明中，路面亮度在 0. 05cd/㎡ ～ 5cd/㎡的情況下，可用以下公式計算:

　　其中，Lv為等效光幕亮度; Lav為路面平均亮度; n為同排 500m 范圍里的燈具總數[2]; K 為年齡系數，一般取 10 (23 歲觀(guān)察者); Eeyei為第 i 個(gè)燈具在人眼視線(xiàn)方向上在視網(wǎng)膜上的照度; θi為第 i 個(gè)燈具入射到人眼的光線(xiàn)方向與人眼視線(xiàn)方向的夾角?！　∫话泷{駛員注意的區域在正前方 60 ～ 160 米，相對于水平面的角度約為 1°。因此，在燈桿高度和燈桿間距一定的情況下，要減小燈具大角度的光強值以降低 TI 值，如圖 3 所示。

　　圖3 燈具在大角度的光強分布會(huì )對駕駛員造成眩目影響

　　從道路照明質(zhì)量方面看，給駕駛員視覺(jué)舒適性帶來(lái)影響的主要有 “斑馬紋”和眩光[3]?！鞍唏R紋”主要是由路面的縱向亮度均勻度 (UI值) 過(guò)低造成的，而眩光則是由于燈具縱向 (沿車(chē)道方向) 的發(fā)光角度過(guò)大。增大燈具的縱向發(fā)光角可以提高 UI值，但是這使得眩光光線(xiàn)的 Eeyei過(guò)大，增加了 TI值。因此，提高亮度均勻度和降低眩光值之間就存在著(zhù)競爭關(guān)系。

　　不同于傳統隧道燈沿沿車(chē)道方向的對稱(chēng)配光(完全對稱(chēng)或半偏光)，完全非對稱(chēng) (全偏光) 的配光更具有靈活性。首先，完全非對稱(chēng)配光可使逆向傳播的光線(xiàn)角度不會(huì )過(guò)大，而正向傳播的光線(xiàn)角度適當放大一些，能量更多一些，以保證隧道路面有足夠大的亮度均勻度。其次，在兩燈之間的考察區域內，亮度是由主要相鄰的兩個(gè)燈具的光線(xiàn)引起的，非對稱(chēng)設計相對于對稱(chēng)配光設計來(lái)說(shuō)，亮度均勻的優(yōu)化設計就增加了一個(gè)自由度。

　　1. 2 設計方法

　　全偏光LED隧道燈透鏡的設計思路為: 首先把LED 光源發(fā)出的能量半球劃分為若干份能量單元，接著(zhù)把目標平面劃分為若干份面積單元，最后根據光學(xué)擴展量守恒定律、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應關(guān)系，并計算出生成自由曲面透鏡模型所需要種子線(xiàn)的坐標。把種子線(xiàn)導入 Solidworks 等三維設計軟件里即可生成所需要的透鏡模型。這種基于能量網(wǎng)格劃分的透鏡設計方法已被廣泛應用在 LED 配光設計中。光源能量和目標平面的劃分如圖 4 所示。

　　LED 的半球面發(fā)光情況使用角度 (u，v) 來(lái)表示，如圖 4 (1) 所示。其中 O 點(diǎn)位于 LED 發(fā)光的中心，并且光強的最大值沿 Z 軸方向。另外，每一份能量單元的大小通過(guò) (Δu，Δv) 來(lái)劃分，并且對應著(zhù)目標平面區域上的面積單元 (Δx，Δy) ，如圖 4 (2) 所示。每一份能量單元的大小為:

　　式 (2) 表示把 LED 的半球面總的光能量 Φ 劃分為M × N 份，每一份的能量為能量為，能量單元與目標面積單元的劃分，影響著(zhù)最終配光的效果。能量劃分算法通常是把 LED 的能量半球進(jìn)行能量等份劃分，而對于目標區域 (如車(chē)道)則通過(guò)調整面積單元 (Δx，Δy) 的大小來(lái)進(jìn)行能量分配。如果能量單元被分配到一個(gè)面積較小的面積單元 (Δx，Δy)，則該區域的能量密度就較高; 反之較小，如圖 4 (3) 所示。通過(guò)這種能量重新分配的設計方法可實(shí)現 LED 的偏光控制，其詳細的分析與計算過(guò)程可參考相關(guān)文獻。這種把 LED 的圓形發(fā)光劃分為矩形網(wǎng)格的方法，符合長(cháng)方形的道路實(shí)際需要，提高了燈具能量利用率。

　　圖 4(1) LED 半球面發(fā)光的空間角度表示，(2)、(3) LED 發(fā)光球面上能量單元與目標面上面積單元的對應關(guān)系

　　自由曲面透鏡的關(guān)鍵坐標點(diǎn)是通過(guò)科學(xué)計算軟件 Matlab 程序把上述的設計思路轉化為數學(xué)語(yǔ)言計算出來(lái)的，通常直接出來(lái)的坐標點(diǎn)并不能直接得到道路需要的透鏡模型，主要原因有以下幾個(gè)方面。首先，計算程序是把 LED 光源簡(jiǎn)化為點(diǎn)光源，然后利用光學(xué)中的折射定律進(jìn)行自由曲面求解。然而，實(shí)際 LED 的發(fā)光面相對于透鏡來(lái)說(shuō)尺寸較大，這會(huì )造成計算結果有誤差。另外，LED 的光強分布通常也不是理想的朗伯分布，即 LED 的光強分布呈余弦變化。其次，在種子線(xiàn)的計算過(guò)程中，由于后一個(gè)點(diǎn)的計算是以前一個(gè)點(diǎn)作為參考，所以種子線(xiàn)會(huì )出現計算的累積誤差。最后，道路照明應用需要考慮亮度均勻性，而原始的計算方式只是以能量 (照度) 均勻性來(lái)計算的。因此，在程序中需要引入適當的網(wǎng)格調制因子以修正誤差[8]，并能量分布滿(mǎn)足道路照明的亮度均勻性需要。