閉春芳

【摘 要】在以往的路燈照明建設(shè)中，不僅質(zhì)量不高，路燈的利用率也很低。為了改善這一問題，文章提出了逆向優(yōu)化設(shè)計的高能量利用率LED路燈透鏡。為了使人們更加了解這種照明工具，文章對其進(jìn)行了研究，首先分析了逆向優(yōu)化道路照明LED路燈配光曲線，其次闡述了分離變量優(yōu)化設(shè)計斷續(xù)曲面透鏡，最后對設(shè)計實例與對比進(jìn)行了分析，使該種照明燈具在城市化建設(shè)中實現(xiàn)更好地應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】逆向優(yōu)化；設(shè)計；高能量利用率；LED路燈透鏡

【中圖分類號】TM923.5 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2018）07-0055-03

0 引言

當(dāng)前，路燈照明建設(shè)在城市化建設(shè)中占據(jù)的地位越來越高。通過對燈具進(jìn)行研究，使以往的高壓鈉燈發(fā)生了改變，逐漸在燈具中加入了二極管，使LED燈成為道路照明的主要工具。而在LED燈設(shè)計時，設(shè)計人員往往只注重單位面積上所接受可見光的光通量，而忽略了照明的亮度，致使道路上出現(xiàn)亮度不均勻的問題，不斷產(chǎn)生亮與暗的橫帶，從而使夜間出行的人們常常會出現(xiàn)“斑馬效應(yīng)”，增加了道路的安全隱患。在以往的LED燈設(shè)計當(dāng)中，通常是使用具有對稱功能的透鏡制成的，在繪制該燈具的配光曲線時，往往是對稱的，一般的光能量照射到機(jī)動車道上，另一半照射在非機(jī)動車道上，使得光能量出現(xiàn)了嚴(yán)重的浪費現(xiàn)象，不僅其能量利用率不高，而且還會增加電力能源的消耗。為了改善這一問題，在一些地區(qū)對其進(jìn)行了一定的改造，在安裝燈具時，將其與路面的仰角進(jìn)行了重新設(shè)計，改變?yōu)?0～20 cm，這樣就將上述能量利用率不高與浪費能源的問題解決了，但是又會出現(xiàn)新的問題，人們在夜間行走時，由于路燈仰角較大，就會使行人視野中存在不適宜亮度的分布，或者是在空間上出現(xiàn)極端的亮度對比，從而容易讓行人產(chǎn)生眩光的問題，在一定程度上增加了道路安全的隱患。因此，加強對基于逆向優(yōu)化設(shè)計的高能量利用率LED路燈透鏡進(jìn)行研究具有重要的意義。

1 逆向優(yōu)化道路照明LED路燈配光曲線

3 設(shè)計實例與對比分析

3.1 LED配光曲線優(yōu)化結(jié)果

在對比的過程中，將研究目標(biāo)劃分為10×10的網(wǎng)格，規(guī)定xmax為40 m，ymax為12.5 m，A與B都為3，將其帶入余弦多項式函數(shù)，就可以得到如圖3所示的配光曲線。根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)，配光曲線以0°或180°平面為基準(zhǔn)，左右兩側(cè)相互對應(yīng)，即對稱型，而以90°或270°平面為基準(zhǔn)，左右兩側(cè)相互之間沒有對稱關(guān)系，即為非對稱型，同時中心光強都集中在道路中間的部分。之后將其輸入Dialux軟件中，進(jìn)行進(jìn)一步的模擬仿真工作。在該模擬仿真中，主要是對道路進(jìn)行模擬，在路燈排布時，道路兩側(cè)是相對應(yīng)安放的，每兩個路燈之間相距30 m，路燈的高度H為5 m，并與路面保持平行狀態(tài)，從4個角度分別進(jìn)行觀察。在觀察的結(jié)果中，路燈的各項性能指標(biāo)均達(dá)到了道路照準(zhǔn)的要求，而且配光曲線的差距與實際的非常小[8]。因此，獲得的配光曲線非常理想。

3.2 斷續(xù)自由曲面透鏡仿真與優(yōu)化

在該項對比中，目標(biāo)面規(guī)定為40 m×17.5 m，將其平均分成100×200的小網(wǎng)格，并將其安放到距透鏡10 m處，將（0，6，0）作為其透鏡的初始頂點。而且使用的透鏡為PMMA材料制成的，因此其折射率nin為1.493，通過分離變量優(yōu)化中的公式就可以得到相應(yīng)的模型，將其導(dǎo)入CREE Xlamp XPE Ray中，對其進(jìn)行模擬仿真，完成反饋優(yōu)化環(huán)節(jié)，得到理想的透鏡模型。在該模型中，其總體尺寸為33.8 mm×16.6 mm×10.2 mm，表面為斷續(xù)曲面（如圖3所示[9]）。

3.3 道路實例照明對比分析

在進(jìn)行照明仿真中可以發(fā)現(xiàn)，路燈的亮度為0.64，單位面積上所接受可見光的光通量為0.732，與相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，均達(dá)到了使用的要求。為了將其優(yōu)越性能更好地體現(xiàn)出來，就將其與傳統(tǒng)的LED路燈進(jìn)行了比較，在比較中可以發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)的路燈配光曲線中，與該種路燈相比而言，配光曲線的數(shù)值較大，亮度為0.40，達(dá)不到道路照明的要求，不僅會出現(xiàn)“斑馬效應(yīng)”，而且還會存在資源浪費的現(xiàn)象；而該項研究中的路燈配光曲線的數(shù)值相對較低，只有0.067左右，達(dá)到了道路照明的要求，提高了路燈的能量利用率[10]。

4 總結(jié)

綜上所述，在道路建設(shè)中使用逆向優(yōu)化設(shè)計的高能量利用率LED路燈透鏡，與傳統(tǒng)的LED燈相比，單位面積上所接受可見光的光通量相對較高，有效地增加了能量利用率，而且在配光曲線中可以發(fā)現(xiàn)，能夠減少1/5左右的能量使用，滿足當(dāng)前我國可持續(xù)發(fā)展的要求，具有很高的利用價值。隨著社會的進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種現(xiàn)金技術(shù)的更新，因此，不能停止對逆向優(yōu)化設(shè)計的高能量利用率LED路燈透鏡研究的步伐，使其在社會發(fā)展各個階段中都能起到應(yīng)有的作用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]曾丹，彭冬生，蔣月，等.用于環(huán)形交叉路口照明的LED自由曲面透鏡設(shè)計[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2016（7）：243.

[2]劉雁杰，惠彬，李景鎮(zhèn)，等.基于微透鏡陣列生成特定矩形光斑的TIR組合透鏡設(shè)計與仿真[J].光學(xué)儀器，2015，8（6）：517.

[3]李夢遠(yuǎn)，孫伽略，張大偉，等.基于自由曲面透鏡結(jié)構(gòu)的紫外發(fā)光二極管固化系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計[J].光學(xué)學(xué)報，2014（12）：244.

[4]王寶，余榮斌，李豐果，等.多顆LED模組系統(tǒng)的排列方式及參數(shù)對光照均勻性的影響[J].照明工程學(xué)報，2013，11（5）：78.

[5]張航，賀葉美，嚴(yán)金華，等.基于均分配焦橢流線法的LED勻光管菲涅爾反射器設(shè)計[J].光子學(xué)報，2012（4）：421.

[6]羅元，毛建偉.一種利用自由曲面透鏡的LED路燈配光設(shè)計與研究[J].光學(xué)儀器，2012，9（2）：72.

[7]閆興濤，楊建峰，張國琦，等.基于經(jīng)緯劃分和切面迭代的自由曲面LED透鏡設(shè)計[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2011，5（2）：61.

[8]趙會富，劉華，孫強，等.基于折射/全反射/反射/折射結(jié)構(gòu)的LED準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計[J].光學(xué)精密工程，2011，12（7）：1472.

[9]劉欣.LED照明的透射-全反射型復(fù)合曲面二次光學(xué)透鏡的設(shè)計[J].應(yīng)用光學(xué)，2011（5）：976.

[10]史永勝，買迪，寧磊，等.實現(xiàn)道路均勻照明的LED自由曲面透鏡設(shè)計方法綜述[J].照明工程學(xué)報，2010，8（5）：73.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]