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LED路燈反光碗式和透鏡式的二次光學研究
摘要: LED芯片光效的提升和價格的降低,都使LED道路照明越來越近,專業(yè)的光學設計也使得照明效果有很大提升,也有更多的廠家在作這樣的嘗試,本文提出一個新的光學解決方案——獨立單元的反光器,旨在為人們尋求一種新的LED道路照明解決方案。
Abstract:
Key words :

  LED照明將先在道路照明中廣泛應用,這樣的推斷是基于LED的長壽命、高效率、光線利用率高等特點。很多人對LED在道路照明中的應用已經(jīng)作了很多嘗試,但是不難看到這兩三年來LED路燈" title="LED路燈">LED路燈并沒有得到很好的發(fā)展,究其原因在于:成本高、壽命短、照明效果差(均勻性差)。

        值得慶幸的是上游產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,LED芯片" title="LED芯片">LED芯片光效的提升和價格的降低,都使LED道路照明越來越近,專業(yè)的光學設計也使得照明效果有很大提升,也有更多的廠家在作這樣的嘗試,本文提出一個新的光學解決方案——獨立單元的反光器,旨在為人們尋求一種新的LED道路照明解決方案。

  與透鏡相比,反光器的特點在于:成本低、效率高、裝配容易。

  常見透鏡材料為PMMA,目前的技術PMMA材料的透射率只有94%,制作成透鏡后由于折返射的效果,通常會有更多的額外光損失,以以下實例說明:

  設置了一光源,產(chǎn)生50000條光線:

LED

LED

  未有PMMA透光板時,效率為100%,現(xiàn)在在正前方設置一理想狀態(tài)PMMA透明平板:

LED

LED

        效率變?yōu)?4.337%。

        (注:圖中出現(xiàn)16808Rays是因為一根光線經(jīng)過PMMA與空氣的接口可能會同時發(fā)生折射和反射,因而增加了光線數(shù)量,但是從能量角度產(chǎn)生了一定損耗。)

  若將PMMA材料制作成透鏡,則損耗更大,以下列舉市面上常見的PMMA材料透鏡為例(考慮到透鏡背部總有漏光現(xiàn)象,而實際上漏光是無法利用的,因此在系統(tǒng)背部設置了全吸收的基板,以增強數(shù)據(jù)的嚴謹性):

LED

透鏡外形圖

LED

光線經(jīng)過透鏡后的雜散光分析

 
該透鏡效率實際只有86%

  反光式光學系統(tǒng)相對分析比較容易,經(jīng)過對光源的出光能量分布分析,通過再分配的方式設計道路照明適合的透鏡。

  光源Lambertian出光模式(即常見的Lumileds、CREE、Edison LED),結合設計的反光器,出光的兩個角度分別為50度和120度,即路燈放置于10米桿高可以在地面形成約12×30米的均勻光斑,根據(jù)照度需求增加/刪減單元個數(shù)。

  1、光線軌跡:

LED

LED

  2、單顆1W照明效果圖(照度分布):

LED

  3、以下是模擬一段道路的照明效果:

  道路為15米寬,采用對稱式部燈,10米桿高,32米桿距,燈具安裝角度為5度,懸臂長1.5米。馬路表面照度均勻,90%光線集中于馬路上,路邊照度逐步遞減,沒有硬光邊,不會引起駕駛?cè)藛T的視覺不適。

LED

  效率分析:

  經(jīng)反光系統(tǒng)的照射光線分為“直接光線”和“反射光線”,即部分光線無需通過反光壁直接散射,而另外一部分光則經(jīng)過反光壁照射到相應的位置。

  將反射壁設置為“Perfect Absorber”,然后根據(jù)出射效率即可以得到有多少光線不需要經(jīng)過光學系統(tǒng)直接照射:

LED

  由此可見:該光學系統(tǒng)中有41.88%的光是直接照射,不需經(jīng)過光學系統(tǒng),即能量損失為0,另有58.12%的光需要經(jīng)過反射壁反射,反射效率取決于反射壁材料及加工工藝。通過鍍增強鋁膜或者銀模,反射效率可以達到90%以上,因此反光系統(tǒng)效率可以達到并超過以下數(shù)值:

41.88%+58.12%×90%=94.19%

  遠遠高于透鏡方式的86%的效率,即100lm的光我們可以利用到94.19~98.84lm。

  該反光碗最大優(yōu)點是效率高,使用光源是常見的Lambertian出光模式的LED,單顆光源達到這樣的效果而不是排列組合,因此可以根據(jù)路燈功率需要增減LED數(shù)量。

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