李柏林，關(guān)燁鋒，羅婉霞

(廣州廣日電氣設(shè)備有限公司，廣東 廣州 511447)

引言

隨著國內(nèi)的環(huán)境污染問題日益突出，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輛行進(jìn)方向?yàn)閷ΨQ分布，而垂直于車輛行進(jìn)方向?yàn)榉菍ΨQ分布，如圖1所示。

隨著道路照明設(shè)計(jì)的不斷發(fā)展，道路配光的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)從過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[1]。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輛行進(jìn)方向都是非對稱分布。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Fig.1 Light distribution curve of traditional asymmetric lens. Curve C0-C180 and C90-C270 are along and perpendicular to the road direction, respectively

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，車輛單向行駛，來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，人眼對物體的分辨能力就越弱。

圖2 燈具的光線傳播示意圖Fig.2 Schematic of light propagation of luminaire

光幕的影響程度用眩光限制閾值增量(TI)來衡量，《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/m2～5cd/m2的情況下，可用以下公式計(jì)算：

(1)

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。

一般駕駛員注意的區(qū)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(qiáng)值以降低TI值，如圖3所示。

圖3 燈具在大角度的光強(qiáng)分布會對駕駛員造成眩目影響Fig.3 The light intensity at large angle of the light distribution curve can cause glare for the drives

從道路照明質(zhì)量方面看，給駕駛員視覺舒適性帶來影響的主要有“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)過低造成的，而眩光則是由于燈具縱向(沿車道方向)的發(fā)光角度過大。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爭關(guān)系。

不同于傳統(tǒng)隧道燈沿沿車道方向的對稱配光(完全對稱或半偏光)，完全非對稱(全偏光)的配光更具有靈活性。首先，完全非對稱配光可使逆向傳播的光線角度不會過大，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，非對稱設(shè)計(jì)相對于對稱配光設(shè)計(jì)來說，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[4-6]。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(Δu,Δv)來劃分，并且對應(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：

(i=0,1,…M;j=0,1,…N)

(2)

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，而對于目標(biāo)區(qū)域(如車道)則通過調(diào)整面積單元(Δx,Δy)的大小來進(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)算過程可參考相關(guān)文獻(xiàn)[7]。這種把LED的圓形發(fā)光劃分為矩形網(wǎng)格的方法，符合長方形的道路實(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)面上面積單元的對應(yīng)關(guān)系Fig.4 (1) The spherical coordinates representation of LED radiation， (2)、 (3) The corresponding relation of energy unit on the radiation sphere surface and area unit on target plane

自由曲面透鏡的關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)是通過科學(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)語言計(jì)算出來的，通常直接出來的坐標(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)光面相對于透鏡來說尺寸較大，這會造成計(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。

1.3 設(shè)計(jì)實(shí)例及結(jié)果分析

基于上述算法，本實(shí)例設(shè)計(jì)了一個(gè)適用于兩車道的全偏光LED隧道燈透鏡。透鏡所用燈珠為Philips的白光Luxeon T，其發(fā)光效率最高可達(dá)130lm/W。透鏡的三維模型如圖5(1)所示，圖5(2)為用于構(gòu)造三維模型所設(shè)計(jì)的種子線。

圖5 (1)全偏光透鏡的三維模型，(2)用于構(gòu)造三維模型所設(shè)計(jì)的種子線Fig.5 (1) The 3D model of the totally asymmetric lens， (2) Seed lines for constructing the 3D model

利用Tracepro等光學(xué)模擬軟件對透鏡模型與Luxeon T光源進(jìn)行光學(xué)模擬。設(shè)定透鏡所用材料為聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)，并使用蒙特卡羅光線追跡。圖6為使用100萬條光線模擬后得到的配光曲線，此配光曲線的角度約為55°×130°。圖中C0-C180曲線為沿車道方向的光強(qiáng)分布，并且最大值在車輛行使方向；曲線C90-C270為垂直于車道方向的光強(qiáng)分布。

圖6 全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Fig.6 The light distribution curve of totally asymmetric lens: Curve C0-C180 and C90-C270 are along and perpendicular to the road direction, respectively

在光學(xué)模擬軟件導(dǎo)出IES文件后，可利用照明設(shè)計(jì)軟件DIALux進(jìn)行道路模擬分析。DIALux的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下：安裝高度為5.5米，燈桿間距12米，懸挑長度為0米，仰角為15°，燈具總光通量為5000lm，燈具排列方式為雙排相對布燈。選用瀝青R3路面進(jìn)行照明仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。模擬結(jié)果顯示，照度均勻度UE，亮度總均勻度Uo，亮度縱向均勻度UL分別為0.88、0.86和0.91，遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的0.4、0.4和0.7；眩光限制閾值增量也優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)要求10[9]。

圖7 全偏光透鏡模型的道路場景仿真結(jié)果Fig.7 The simulation result of the road scene with the totally asymmetric lens

另外，模擬結(jié)果顯示路面的平均照度Eavg和平均亮度Lavg分別為49 lx和2.37 cd/m2，根據(jù)照度亮度比的計(jì)算式，可算出照度亮度比R[10]:

(3)

此R值在《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ 026.1—1999》的推薦值范圍(15～22lx·m2·cd-1)之內(nèi)，符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)。由于隧道對周邊照度系數(shù)沒有要求，本工作未對此參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[11]。

2 結(jié)論

本文運(yùn)用非成像光學(xué)理論，基于LED能量網(wǎng)格劃分設(shè)計(jì)了一款全偏光的LED隧道燈透鏡。不同于傳統(tǒng)燈具中沿道路行駛方向的配光為對稱分布的配光方向，本工作通過結(jié)合考慮道路照明設(shè)計(jì)中照度均勻度、亮度均勻度以及眩目閾值增量等要求，對LED的原始光強(qiáng)分布與目標(biāo)面進(jìn)行合理地對應(yīng)，設(shè)計(jì)出適合隧道環(huán)境應(yīng)用的透鏡。該透鏡抑制了燈具逆向傳播方向的發(fā)光角度和強(qiáng)度，以減少對駕駛員的眩目效果；同時(shí)增大了正向傳播方向的角度和光強(qiáng)，以達(dá)到照度和亮度均勻度的目的。在照明分析軟件DIALux的驗(yàn)證中，實(shí)現(xiàn)了UE=0.88，UO=0.86，UL=0.91，TI=6的照明效果。研究結(jié)果顯示，全偏光的LED隧道燈透鏡設(shè)計(jì)十分適合于隧道照明應(yīng)用。

[1] 鄒吉平，李麗，解全花，等.LED道路照明燈具配光設(shè)計(jì)的誤區(qū)分析——照度均勻性并非亮度均勻性[J].照明工程學(xué)報(bào)，2009，20(S1)：46-52+58.

[2] 劉磊實(shí).城市道路照明設(shè)計(jì)中失能眩光的計(jì)算與控制[J].照明工程學(xué)報(bào)，2008，19(01)：77-80.

[3] 北京照明學(xué)會照明設(shè)計(jì)專業(yè)委員會.照明設(shè)計(jì)手冊(第2版)[M].北京:中國電力出版社，2006.

[4] A. J. W. Whang, Y. Y. Chen and Y. T. Teng. Designing uniform illumination systems by surface-tailored lens and configurations of LED arrays[J]. Journal of Display Technology, 2009, 5(3):94-103.

[5] F. Chen, K. Wang, Z. Qin, D. Wu, X. B. Luo, S. Liu. Design method of high-efficient LED headlamp lens[J]. Optics Express. 2010,18(20):20926-20938.

[6] 史永勝，買迪，寧磊.實(shí)現(xiàn)道路均勻照明的LED自由曲面透鏡設(shè)計(jì)方法綜述[J].照明工程學(xué)報(bào)，2010，21(05)：73-77.

[7] 王愷.大功率LED封裝與應(yīng)用的自由曲面光學(xué)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011.

[8] 石智偉，閆國棟，鄧國強(qiáng)，等.面向LED擴(kuò)展光源的新型反饋修正設(shè)計(jì)方法[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，25(04)：85-89.

[9] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).CJJ45—2006城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].中華人民共和國建設(shè)部，2006.

[10] 鄒吉平，王健.LED道路照明燈具配光設(shè)計(jì)的誤區(qū)分析——矩形配光無法滿足道路照明[C].福州：經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變與自主創(chuàng)新——第十二屆中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會年會，2010.

[11] 中華人民共和國交通部.JTJ 026.1—1999公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國交通部，2006.