1 傳統的路燈照明

　　目前，用于路燈照明的光源類型主要有：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光效率、長壽命、強穿透性等優點而被廣泛采用。其基本光學結構由光源、反射器及透明燈罩組成。由于光源的光輻射幾乎占據整個空間的這個特點，因此需要采用對路燈的光學系統進行配光設計從而達到國家標準路燈燈具的光度參數。通常高壓汞燈型路燈的反射器是采用拋物面凹槽進行配光。它能調整使光照明在所需的區域。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LED光源配光，以達到路燈照明的光度指標。

　　2 LED路燈的光學設計思路

　　2.1 LED路燈光學系統

　　對于LED路燈的光學結構大致分為兩種：投射式和反射式。投射式路燈光學結構通常由旋轉拋物線型反射罩和透鏡組成，但是單一的這種結構還達不到路燈照明的配光要求，所以必須采用透鏡來進行再次配光，如圖1a所示，這種方式對反射罩和配光鏡之間的配合要求很高，給設計、安裝和維護增加了難度。而反射式光學結構，其結構如圖1b所示，由于只需對反射罩進行配光設計，所以被越來越多的光學設計者采用。本文也是采用反射式光學結構，并對反射罩進行了混合式結構設計。

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　　圖1a 投射式結構圖

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　　圖1b 反射式結構圖

　　2.2 照明光學計算機輔助設計

　　照明光學設計屬于非成像光學設計，主要是從能量傳遞規律的角度對光學系統進行研究，基本采用非序列光線追跡，常用的計算照度的方法是采用蒙特卡羅方法。本文采用Tracepm光學仿真軟件進行模擬仿真。設計的基本步驟如下：

　　(1)確定LED光源的數量，建立光源的模型并設置其參數;

　　(2)建立混合式反射罩結構的三維模型;

　　(3)確定LED光源的排列方式，并利用光學軟件進行仿真;

　　(4)對仿真結果進行分析，比較仿真結果與道路照明配光要求的差異;

　　(5)根據仿真結果中的差異或未達到要求的部分，對相應參數進行反復修正，直到滿足設計要求。

　　2.3 混合式結構設計

　　目前，反射式光學結構已經應用于越來越多的領域，而其難點在于反射器結構的設計，就是如何設計出符合所需要的光學照明配光要深圳市的反射面面型。為了把反射光線定向到指定的照明區域，有兩種可能的途徑，即光源發出的光線向同側反射和向對側反射，分別如圖2a和圖2b所示。

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　　圖2a 同側反射方式

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　　圖2b 對側反射方式

　　針對所使用LED光源的發光特性和照明范圍的要求，本文中采用向對側反射的方式分別對X方向和Y方向的反射面面型進行了設計，以滿足現場道路照明的需求。光源置于橢球的前焦點Fl處，如圖3所示是橢球反射面模型。

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　　圖3 橢球反射面模型

　　橢球反射面的表達方程式為：

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　　式中a、b分別為橢球的半長軸、半短軸。

　　而圖3中的f1，f2分別表示橢球頂點到2個焦點，F1和F2的距離，其表達式如下：

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　　通過調整橢球的長短軸a和b的尺寸，可以改變橢球反射面的半焦距長度，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域內。

　　2.4 照度的計算方法

　　目前采用的照度計算公式通常都是基于如圖4的計算模型，其中，ds代表軸上點附近的物面上的微小面積ds'，代表軸上點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像面亮度為L' ，物方ds在立體角U范圍內所發出的光通量Φ則可以表示為：

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　　則從出瞳入射到像面微面積出ds'上的光通量φ' 為：

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　　于是可得到像面的照度E' 為：

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　　當物療空問和像方空間的介質一斂時，像面亮度L '等于物面亮度L與系統透射率τ0的乘積，即：

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　　則(6)式就可以表示為：

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　　圖4 照度計算模型示意圖

　　2.5 LED光源的排列方式

　　現階段單顆LED的發光效率有限，要應用于LED路燈照明中，需要將多個LED以一定的形狀陣列，出于燈具成本的考慮，在達到照明要求的同時希望采用盡可能少的LED，這就需要找到一種合適的排列方式。而根據LED光源的發光特性及道路照明的基本要求，本文采用10×6的陣列形式，同時對每一列光源進行不同角度的偏轉。

　　2.6 仿真結果

　　圖5是采用光學軟件Tracepro進行多次仿真模擬得到的結果。

　　圖5a是照明區域分布模擬效果圖，從圖中可以看出通過對反射罩的設計和光源排列角度的控制，在給定照明區域內基本形成均勻照明，這樣既提高了光源的利用率、減少了光污染、保護了人眼健康，同時又有效的提高了駕駛員對路面情況的辨識。而圖5b是照度分布圖。

　　圖中范圍較寬的曲線表示0度方向(即車輛行駛方向)的照度分布，范圍較窄的曲線表示9o度方向的照度分布。從圖5b可以清晰的看到，9o度方向E照度分布在121x左右比較均勻，而0度方向上，照度在IOX至141x之間變化：只是在邊緣區域小范圍內的照度比平均照度偏低，不過還是基本達到了國家標準所要求的照明區域內10X至151x的照度要求。

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　　圖5 仿真結果

　　3 結論

　　本文針對LED路燈的光學系統進行了混合型反射罩結構的設計，從仿真模擬得到的結果來看，基本達到了照明區域內均勻矩形配光的要求，下一步將繼續開展如何提高矩形配光的邊界性與照明區域的照度均勻度，并結合大功率LED光源本身的發光特性對反射罩和光源的偏轉角度進行優化，從而實現所需的配光設計，或從新型的反射罩結構等角度進行研究與探索。