劉軒達(dá)　李文霄

中北大學(xué)朔州校區(qū)

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基于Tracepro的LED路燈光學(xué)設(shè)計(jì)與仿真研究

劉軒達(dá)李文霄

中北大學(xué)朔州校區(qū)

本文研究LED路燈照明，結(jié)合國(guó)家道路照明標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了一款LED路燈反光板和一款LED路燈透鏡，并在計(jì)算機(jī)仿真軟件Tracepro中仿真此兩款LED路燈的光斑等，結(jié)果顯示在離LED路燈10m遠(yuǎn)處光斑為矩形，配光曲線(xiàn)為蝙蝠翼形狀，基本滿(mǎn)足道路照明要求。

Tracepro模擬 光學(xué)設(shè)計(jì) 仿真

1　前言

道路照明有著特殊的環(huán)境，所以對(duì)路燈的要求也特別嚴(yán)格。LED路燈是作為常用的燈種，其主要由路燈燈桿、路燈外殼、LED光源、LED二次光學(xué)器件（反光板或者透鏡）、LED驅(qū)動(dòng)電源等部件組成。LED作為第四代照明光源，有著光效高，顯色指數(shù)高，色溫多樣可選擇性多、耗電量低等特點(diǎn)，大有取代高壓鈉燈的趨勢(shì)。

2　LED路燈光學(xué)設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)一符合雙向4車(chē)道的次干道。本次路燈光學(xué)設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)符合道路照明標(biāo)準(zhǔn)的LED路燈光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)路燈設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，本次設(shè)計(jì)某次干道道路，雙向4車(chē)道，路寬14m，燈桿高度12m，燈桿間距30m，路面為瀝青路。采用雙向布燈的方式。道路平均照度達(dá)到15lx以上，最好達(dá)到20lx以上，按照達(dá)到20lx以上標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

具體設(shè)計(jì)方案：采用多個(gè)反光板陣列的形式，5*5陣列，共25個(gè)小反光板，25個(gè)LED光源，光源采用SMD 3030型號(hào)，單科光源尺寸為3mm*3mm*1mm，單科光源光通量取值350Lm，經(jīng)過(guò)反光板內(nèi)表面反射有損失。最后設(shè)計(jì)3D模型如圖1。

3　反光板型LED路燈Tracepro仿真

LED路燈光斑為矩形，若不對(duì)反光板型LED路燈二次光學(xué)的部分陣列進(jìn)行旋轉(zhuǎn)角度，則光斑會(huì)為對(duì)稱(chēng)光斑，以未經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)的即0度情況下的反光板型模型為例，其通過(guò)光線(xiàn)追擊后，觀察配光光斑如圖2所示。從配光光斑可以看出，為左右對(duì)稱(chēng)配光，光斑為矩形，中心光強(qiáng)不是最大光強(qiáng)，有利于提高光斑的均勻度。此配光不適合路燈照明，通過(guò)旋轉(zhuǎn)兩側(cè)的LED模組，可以加大發(fā)光角度，達(dá)到光斑矩形的目的，有利于道路照明。分布進(jìn)行10度、15度、20度旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)行模擬，選出較好的反光板型LED路燈配光。

對(duì)比三種旋轉(zhuǎn)角度的可以得出，旋轉(zhuǎn)角度改變了原有配光曲線(xiàn)形狀和光斑，其中10度旋轉(zhuǎn)角度偏小，還達(dá)不到預(yù)期效果，20度旋轉(zhuǎn)角度偏大，不僅外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上會(huì)有困難，而且光線(xiàn)浪費(fèi)嚴(yán)重，最重要的是均勻度更差了，中心更亮，往兩邊照度下降較快。綜合考慮旋轉(zhuǎn)15度時(shí)最適合，選用旋轉(zhuǎn)15度的仿真結(jié)果進(jìn)行LED路燈在實(shí)際道路場(chǎng)景里的仿真。

4　透鏡型LED路燈Tracepro仿真

光線(xiàn)追擊，查看光線(xiàn)結(jié)果如圖3所示，圖中可以看出一個(gè)方向上角度較大，另一個(gè)較小，且還有一定偏光，光斑為矩形，基本符合要求，最后將配光曲線(xiàn)導(dǎo)出ies文件得出模擬效果圖。

5　總結(jié)

模擬結(jié)果顯示透鏡型LED路燈與反光板型在光源光通量相同的情況下，得到的路面照度也基本相同，說(shuō)明兩種配光的利用率差不多，但是透鏡型的照度均勻度0.745遠(yuǎn)大于反光板型的0.47，均勻度要好很多，同時(shí)亮度要高很多，亮度均勻度也要好很多。透鏡型LED路燈沿著道路方向發(fā)光角度大，能實(shí)現(xiàn)燈桿間距更大的照明，而反光板型通過(guò)旋轉(zhuǎn)模組角度達(dá)到大角度有可行性，但是效果并不太理想，旋轉(zhuǎn)角度增大的同時(shí)均勻度會(huì)變低。

［1］朱小清.LED光源在道路交通中的應(yīng)用研究［D］.重慶大學(xué)，2009.

［2］程敏.具有非對(duì)稱(chēng)配光特性的LED路燈的光學(xué)設(shè)計(jì)［D］.大連工業(yè)大學(xué)，2012.

［3］宋寧亮.基于軟件仿真的LED照明設(shè)計(jì)與應(yīng)用［D］.廈門(mén)大學(xué)，2014.

圖1　反光板型LED路燈3D模型

圖2　旋轉(zhuǎn)0度仿真結(jié)果

圖3　透鏡型LED路燈仿真