LED隧道燈透鏡全偏光設(shè)計(jì)技術(shù)解析

隨著國(guó)內(nèi)的環(huán)境污染問(wèn)題日益突出，節(jié)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(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在室內(nèi)、戶外以及特殊照明上。

　　目前大多數(shù)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(yīng)用，需要對(duì)LED進(jìn)行二次配光?，F(xiàn)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(duì)光的控制性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)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(shù)采用偏光形式。這里的偏光指的是燈具的配光沿著車(chē)輛行進(jìn)方向?yàn)閷?duì)稱分布，而垂直于車(chē)輛行進(jìn)方向?yàn)榉菍?duì)稱分布，如圖 1 所示。

　　隨著道路照明設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，道路配光的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)從過(guò)去的照度均勻逐漸發(fā)展成為以亮度均勻?yàn)橹?，照度均勻?yàn)檩o。配光曲線反映了燈具在空間某個(gè)截面上光強(qiáng)與發(fā)光角度的關(guān)系。一個(gè)理想的配光曲線的設(shè)計(jì)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(shù)，使路面照度、亮度以及閾值增量等評(píng)價(jià)道路照明質(zhì)量的參數(shù)指標(biāo)都符合標(biāo)準(zhǔn)，并達(dá)到高效、健康和節(jié)能的照明目的。本文提出一種新型的全偏光透鏡，其配光曲線沿著和垂直于車(chē)輛行進(jìn)方向都是非對(duì)稱分布。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(yīng)對(duì)駕駛員的影響。

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

　　1 全偏光 LED 透鏡的設(shè)計(jì)

　　1. 1設(shè)計(jì)原理

　　道路配光設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)的配光設(shè)計(jì)，其中隧道是一個(gè)特殊的道路照明環(huán)境。在大多數(shù)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(gòu)成了駕駛員的視覺(jué)效果，如圖 2 所示。隧道燈具的配光設(shè)計(jì)要保證路面亮度有足夠均勻度的同時(shí)，盡量減少燈光對(duì)人眼的直接照射 (減少眩目)。燈具發(fā)出的光線可以分為兩類，正向傳播光線和逆向傳播光線。正向傳播光線只會(huì)產(chǎn)生反射光，形成路面亮度; 小角度的逆向傳播光線產(chǎn)生反射光，形成路面亮度，而大角度的逆向傳播光線能直接入射到人眼，形成光幕而產(chǎn)生眩目。光幕的影響越大，人眼對(duì)物體的分辨能力就越弱。

　　圖2 燈具的光線傳播示意圖

　　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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) CJJ45—2006》規(guī)定了三種道路類型中 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(jì)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(shù)[2]; K 為年齡系數(shù)，一般取 10 (23 歲觀察者); Eeyei為第 i 個(gè)燈具在人眼視線方向上在視網(wǎng)膜上的照度; θi為第 i 個(gè)燈具入射到人眼的光線方向與人眼視線方向的夾角?！　∫话泷{駛員注意的區(qū)域在正前方 60 ～ 160 米，相對(duì)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(qiáng)值以降低 TI 值，如圖 3 所示。

　　圖3 燈具在大角度的光強(qiáng)分布會(huì)對(duì)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]。“斑馬紋”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競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。

　　不同于傳統(tǒng)隧道燈沿沿車(chē)道方向的對(duì)稱配光(完全對(duì)稱或半偏光)，完全非對(duì)稱 (全偏光) 的配光更具有靈活性。首先，完全非對(duì)稱配光可使逆向傳播的光線角度不會(huì)過(guò)大，而正向傳播的光線角度適當(dāng)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(qū)域內(nèi)，亮度是由主要相鄰的兩個(gè)燈具的光線引起的，非對(duì)稱設(shè)計(jì)相對(duì)于對(duì)稱配光設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，亮度均勻的優(yōu)化設(shè)計(jì)就增加了一個(gè)自由度。

　　1. 2 設(shè)計(jì)方法

　　全偏光LED隧道燈透鏡的設(shè)計(jì)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。光源能量和目標(biāo)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(qiáng)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(duì)應(yīng)著目標(biāo)平面區(qū)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(biāo)面積單元的劃分，影響著最終配光的效果。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(duì)于目標(biāo)區(qū)域 (如車(chē)道)則通過(guò)調(diào)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(qū)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(shè)計(jì)方法可實(shí)現(xiàn) LED 的偏光控制，其詳細(xì)的分析與計(jì)算過(guò)程可參考相關(guān)文獻(xiàn)。這種把 LED 的圓形發(fā)光劃分為矩形網(wǎng)格的方法，符合長(zhǎng)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(biāo)面上面積單元的對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　自由曲面透鏡的關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)是通過(guò)科學(xué)計(jì)算軟件 Matlab 程序把上述的設(shè)計(jì)思路轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語(yǔ)言計(jì)算出來(lái)的，通常直接出來(lái)的坐標(biāo)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(jì)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(duì)于透鏡來(lái)說(shuō)尺寸較大，這會(huì)造成計(jì)算結(jié)果有誤差。另外，LED 的光強(qiáng)分布通常也不是理想的朗伯分布，即 LED 的光強(qiáng)分布呈余弦變化。其次，在種子線的計(jì)算過(guò)程中，由于后一個(gè)點(diǎn)的計(jì)算是以前一個(gè)點(diǎn)作為參考，所以種子線會(huì)出現(xiàn)計(jì)算的累積誤差。最后，道路照明應(yīng)用需要考慮亮度均勻性，而原始的計(jì)算方式只是以能量 (照度) 均勻性來(lái)計(jì)算的。因此，在程序中需要引入適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格調(diào)制因子以修正誤差[8]，并能量分布滿足道路照明的亮度均勻性需要。