LED路燈光學(xué)系統(tǒng)的混合型反射罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析

1 傳統(tǒng)的路燈照明

　　目前，用于路燈照明的光源類(lèi)型主要有：金屬鹵化物燈、白熾燈和高壓鈉燈等。其中高壓鈉燈由于其高發(fā)光效率、長(zhǎng)壽命、強(qiáng)穿透性等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。其基本光學(xué)結(jié)構(gòu)由光源、反射器及透明燈罩組成。由于光源的光輻射幾乎占據(jù)整個(gè)空間的這個(gè)特點(diǎn)，因此需要采用對(duì)路燈的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行配光設(shè)計(jì)從而達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)路燈燈具的光度參數(shù)。通常高壓汞燈型路燈的反射器是采用拋物面凹槽進(jìn)行配光。它能調(diào)整使光照明在所需的區(qū)域。而采用LED作為新型路燈照明的光源，就需要尋求一種新的配光模型為L(zhǎng)ED光源配光，以達(dá)到路燈照明的光度指標(biāo)。

　　2 LED路燈的光學(xué)設(shè)計(jì)思路

　　2.1 LED路燈光學(xué)系統(tǒng)

　　對(duì)于LED路燈的光學(xué)結(jié)構(gòu)大致分為兩種：投射式和反射式。投射式路燈光學(xué)結(jié)構(gòu)通常由旋轉(zhuǎn)拋物線(xiàn)型反射罩和透鏡組成，但是單一的這種結(jié)構(gòu)還達(dá)不到路燈照明的配光要求，所以必須采用透鏡來(lái)進(jìn)行再次配光，如圖1a所示，這種方式對(duì)反射罩和配光鏡之間的配合要求很高，給設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)增加了難度。而反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1b所示，由于只需對(duì)反射罩進(jìn)行配光設(shè)計(jì)，所以被越來(lái)越多的光學(xué)設(shè)計(jì)者采用。本文也是采用反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)，并對(duì)反射罩進(jìn)行了混合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　圖1a 投射式結(jié)構(gòu)圖

　　圖1b 反射式結(jié)構(gòu)圖

　　2.2 照明光學(xué)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

　　照明光學(xué)設(shè)計(jì)屬于非成像光學(xué)設(shè)計(jì)，主要是從能量傳遞規(guī)律的角度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行研究，基本采用非序列光線(xiàn)追跡，常用的計(jì)算照度的方法是采用蒙特卡羅方法。本文采用Tracepm光學(xué)仿真軟件進(jìn)行模擬仿真。設(shè)計(jì)的基本步驟如下：

　　(1)確定LED光源的數(shù)量，建立光源的模型并設(shè)置其參數(shù);

　　(2)建立混合式反射罩結(jié)構(gòu)的三維模型;

　　(3)確定LED光源的排列方式，并利用光學(xué)軟件進(jìn)行仿真;

　　(4)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，比較仿真結(jié)果與道路照明配光要求的差異;

　　(5)根據(jù)仿真結(jié)果中的差異或未達(dá)到要求的部分，對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)修正，直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

　　2.3 混合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　目前，反射式光學(xué)結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域，而其難點(diǎn)在于反射器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，就是如何設(shè)計(jì)出符合所需要的光學(xué)照明配光要深圳市的反射面面型。為了把反射光線(xiàn)定向到指定的照明區(qū)域，有兩種可能的途徑，即光源發(fā)出的光線(xiàn)向同側(cè)反射和向?qū)?cè)反射，分別如圖2a和圖2b所示。

　　圖2a 同側(cè)反射方式

　　圖2b 對(duì)側(cè)反射方式

　　針對(duì)所使用LED光源的發(fā)光特性和照明范圍的要求，本文中采用向?qū)?cè)反射的方式分別對(duì)X方向和Y方向的反射面面型進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)道路照明的需求。光源置于橢球的前焦點(diǎn)Fl處，如圖3所示是橢球反射面模型。

　　圖3 橢球反射面模型
橢球反射面的表達(dá)方程式為：

　　式中a、b分別為橢球的半長(zhǎng)軸、半短軸。

　　而圖3中的f1，f2分別表示橢球頂點(diǎn)到2個(gè)焦點(diǎn)，F(xiàn)1和F2的距離，其表達(dá)式如下：

　　通過(guò)調(diào)整橢球的長(zhǎng)短軸a和b的尺寸，可以改變橢球反射面的半焦距長(zhǎng)度，從而可以改變出射光的角度，以確保出射光能照射在所需的照明區(qū)域內(nèi)。

　　2.4 照度的計(jì)算方法

　　目前采用的照度計(jì)算公式通常都是基于如圖4的計(jì)算模型，其中，ds代表軸上點(diǎn)附近的物面上的微小面積ds'，代表軸上點(diǎn)附近像面上的微小面積， U表示物方孔徑角、 U'表示像方孔徑角，而物面亮度為L(zhǎng)像面亮度為L(zhǎng)' ，物方ds在立體角U范圍內(nèi)所發(fā)出的光通量Φ則可以表示為：

　　則從出瞳入射到像面微面積出ds'上的光通量φ' 為：

　　于是可得到像面的照度E' 為：

　　當(dāng)物療空問(wèn)和像方空間的介質(zhì)一斂時(shí)，像面亮度L '等于物面亮度L與系統(tǒng)透射率τ0的乘積，即：

　　則(6)式就可以表示為：

　　圖4 照度計(jì)算模型示意圖