基于离散扩展光源的LED路灯设计

关烨锋，黎永耀

(1.广东顺德工业设计研究院(广东顺德创新设计研究院)，广东 佛山 511447；2.佛山科学技术学院物理与光电工程学院，广东 佛山 528000)



基于离散扩展光源的LED路灯设计

关烨锋1，黎永耀2

(1.广东顺德工业设计研究院(广东顺德创新设计研究院)，广东 佛山 511447；2.佛山科学技术学院物理与光电工程学院，广东 佛山 528000)

本文设计了由多个离散排布的扩展光源与单个透镜组合而成的LED路灯。其透镜的内表面进行了特有的磨砂处理，保证了离散光源出光光斑的均匀性。热学分析结果表明，在同样的功率下，该光源设计能有效地降低灯具模组的结温。道路照明分析验证了打样实测的配光曲线，结果表明该款路灯能满足国家道路照明的要求。这种基于低成本的离散扩展光源的LED路灯设计方案，能更好地在成本和产品稳定性之间取得平衡，为性价比高的LED照明产品设计提供参考。

LED；道路照明；配光设计；离散扩展光源；路灯；透镜；设计；稳定性；成本

引言

对于LED光源，低成本的板上芯片封装(Chip On Board, COB)光源一直被视为LED光源的发展方向[1-4]。目前市场上的COB光源大多采用铝基板作为材料，而铝基板热阻较大，可靠性不高，对于大功率LED路灯等产品则容易出现光衰和死灯的现象[5]。陶瓷基板是COB光源的理想材料之一，但是成本较高，LED路灯客户难以接受。为此，本文提出一种基于低成本的离散扩展光源的LED路灯设计方法，该设计能更好地在成本和产品稳定性之间取得平衡，为性价比高的LED照明产品设计提供参考。

1 离散扩展光源的设计

区别于常规的单个透镜配合单颗大功率LED灯珠或者COB光源设计的LED路灯，本文提出利用数量为(3N+1)的低成本中功率贴片LED灯珠(其中N≥1)，排成M(M≥3)列，并配合设计了一款LED路灯透镜，此设计方法同样适用于工矿照明等。该灯具的光源具有扩展性和离散性，在透镜设计过程中，需要考虑到光源发光面不连续的特点，设计难度比一般透镜的设计大[6]。在光源灯珠排布的探索中，经反复验证，以相邻三颗灯珠的中心点相连直线组成等边三角形时出光效果最为理想，这种排列方式可降低因光源发光面的不连续而造成配光曲线的震荡。

2 基于离散扩展光源的LED路灯透镜设计

该LED路灯透镜是利用自由曲面光学技术进行设计的[7]。其设计思路为：首先以LED点光源作为参考，把LED点光源发出的能量半球划分为若干份能量单元，接着把目标平面划分为若干份面积单元，最后根据光学扩展量守恒定律、折射定律以及边缘光学原理，建立起能量单元与面积单元之间的能量对应关系，并计算出生成自由曲面透镜模型所需要种子线的坐标。把种子线导入Solidworks等三维设计软件里即可生成所需要的透镜模型。这种基于能量网格划分的透镜设计方法已被广泛应用在LED配光设计中[8-9]。对于离散扩展光源，在点光源的基础上，根据仿真结果对种子线加以调整，可得到符合道路要求的配光曲线。本实例采用了中功率3030灯珠，以N=M=3，即10个灯珠排成3列为例，实现10颗灯珠3-4-3的排列(如图1所示)，设计了基于离散扩展光源的LED路灯透镜。

图1 10个3030灯珠构成3-4-3等三角排列的离散扩展光源Fig.1 Discrete expended source with triangle arrangement consisted of ten 3030 LED

3 透镜内表面磨砂处理

由于光源是由10个3030灯珠组成，发光面不连续，这会给配光曲线造成震荡，进行影响光斑质量。这在透镜与灯珠之间存在较大装配误差时尤为明显。该透镜为偏光路灯透镜，其进光面，即透镜内表面被轻度磨砂处理。进行磨砂处理后，由于磨砂微粒结构的散射而产生的匀光作用，这类似于室内灯具中全内反射透镜中的珠面处理[10]。该磨砂处理能使路灯的出光光斑亮度均匀，将大幅减小甚至消除因光源不连续而造成的光强起伏。而相对于光滑的透镜来说，内表面被轻度磨砂后透镜的配光曲线角度会较大一些，以及透光率较低一些。另外，磨砺的处理程度越高(颗粒越精细)，灯具的发光角度越大，光输出效率越低。因此，本工作对透镜的内表面只作了轻度处理，以便配光曲线在满足道路照明标准的前提下，获得较高的光输出效率。

基于上述路灯透镜的设计方法，本文设计了一个适用于三车道的LED偏光路灯透镜。透镜所用灯珠为Philips的白光LUXEON 3030 2D，其发光效率最高可达133 lm/W[11]。透镜的三维模型如图2所示，图3为用于构造三维模型所设计的种子线。

图2 透镜的三维模型图：(a)上视图；(b)下视图Fig.2 3D model of the lens: (a) top view; (b)bottom view

图3 构造透镜三维模型所设计的种子线Fig.3 The seed lines for the 3D design of the lens

4 仿真及开模测试结果

利用Lighttools或Tracepro等光学仿真软件对装配后的透镜模型与离散分布的LUXEON 3030 2D光源进行光学仿真。透镜所使用材料为聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)，光线追迹方式为蒙特卡罗光线追迹，所用光线数量为500万。图4为光线追迹后得到的配光曲线，该配光曲线的角度约为75°×130°。图中C0-C180曲线为沿车道方向的光强分布，曲线C90-C270为垂直于车道方向的光强分布。

图4 离散扩展光源配合设计透镜光线追迹所得到的配光曲线Fig.4 The designed IES for the discrete expended source

对光学仿真得到的IES文件(配光曲线)进行道路照明分析并确认其符合道路照明标准后，对透镜进行开模打样，然后对组装后的灯具的配光曲线进行实测。本实验测试所用的仪器为远方配光测试仪(GO-HD5)，测试所得的配光曲线如图5所示。实测的配合曲线的角度为77.2°×149.8°(C0×C90)，与设计角度相比，C0与C90的角度都变大了。角度变大的原因与透镜开模的精确，注塑工艺以及透镜与灯珠的装配误差有关。在实际应用中，需要保证实测角度在一定范围里(对于本实例通常不超过85°×150°)，以便满足城市道路照明设计的标准。

图5 灯具实际测量所得到的配光曲线Fig.5 The measured IES of the lamp

对从光学仿真和配光测试仪得到的IES(配光曲线)文件，可利用照明设计软件DIALux进行道路仿真分析。DIALux的各项参数设置如下：路面为10.5 m宽的三车道，灯杆安装高度为10 m，灯杆间距为35 m(高距比为1∶3.5)，悬挑长度为1.5 m，仰角15°，灯具总光通量为15 000 lm，灯具排列方式为单侧布灯。选用沥青R3路面进行照明仿真，仿真结果如图6所示。仿真结果表明，对于设计值：照度均匀度UE，亮度总均匀度U0和亮度纵向均匀度UL分别为0.52，0.53和0.81；而对于开模后的实测值：UE、U0和UL分别为0.50，0.51和0.79。因此，仿真和实验结果的数值接近，且都能满足《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)中道路配光的要求[12]。

图6 对配光曲线进行道路照明分析的结果Fig.6 The analysis results for road lighting with IES

5 热仿真分析

目前，LED散热的方式主要有散热翅片、热电制冷技术、热管技术、液冷和风冷等[13]。其中，热管技术具有技术成熟、传热迅速，温差小等优点，可有效消除“热点”，使散热面温度均匀，广泛应用于分散热源的温度控制。本实例采用了铜制热管外加铝制翅片散热器的散热模组，分别对同等功率、同等发光面积的离散扩展光源和COB光源进行热学仿真分析。离散扩展光源是由10个0.5 W的3030灯珠构成，而COB光源的功率为5 W，直径为8.2 mm，面积约等于10个3030发光的总面积。3030灯珠和COB光源的热阻分别为12 ℃/W和2 ℃/W，每个模组上各布置4个光源，共20 W。模组的热学仿真分析使用Ansys热分析软件进行。仿真中假设外界环境温度为25 ℃，压力为常压。散热模组仿真的温度分布图如图7所示，仿真结果表明，离散扩展光源的结温为52.79 ℃，小于COB光源的53.48 ℃。因此，在同等功率下，高热阻的离散排布的扩展光源比COB光源有可能取得更高效的散热效果。

图7 散热效果对比Fig.7 Contrast of heat dissipation effect

6 讨论与结论

本文采用多个中功率贴片LED与单个LED偏光路灯透镜组合的方式，设计了基于离散扩展光源的LED路灯。由于扩展光源发光面不连续，相对连续光源来说，实际开模和装配过程中出现的误差更容易造成配光曲线的震荡，因此本工作采取对透镜内表面进行轻度磨砺的处理。虽然磨砂微粒结构的光散射效应产生了匀光作用，并能减小因实际误差而引起的配光曲线起伏，但是磨砂处理同时会使灯具的输出效率降低2%左右。另外，磨砂处理还对光线起发散作用，使实际的配合曲线的角度变大。本文利用光学仿真软件进行光线追迹实现理论验证，最后打样并测试了灯具的配光曲线。实验结果表明，实验与理论分析结果都符合国家道路照明设计标准。尽管如此，实际的配光曲线的角度，尤其是C0方向(沿车辆行驶方向)的角度有一定增加。配光曲线的角度变大容易引起道路照明分析中眩光值超出标准。因此，透镜的内表面磨砂处理程度不能太高，否则会影响到灯具的输出效率和应用范围。

本文最后通过专业热分析软件在同等功率下对两种不同光源进行散热仿真，仿真结果表明，采用离散扩展光源的模组比采用COB的具有更低的结温，且散热效果更好。与此相关的实验工作后面还需要进一步完善。

总的来说，基于低成本离散扩展光源的LED路灯设计能更好地在成本和产品稳定性之间取得平衡，在成本压力不断上升的未来，会更有好的发展潜力。

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LED Road Lamp Design Based on Discrete Extended Light Source

GUAN Yefeng1，LI Yongyao2

(1.Duangdong Shunde Innovative Design Institute (Duangdong Shunde Industry Design Institute)，Foshan 511447, China; 2.School of Physics and Optoelectronic Engineering, Foshan University , Foshan 528000, China)

This paper proposes a LED road light with discrete extended light sources and a single lens. The inner face of the LED lens is ground by special technology and it keeps the uniformity of the light distribution. With the same power supply, the thermal analysis results show that this design can lower the junction temperature of the module of the lamp efficiently. The measured IES is tested with DIALux and the result shows that this IES meets the standard for lighting design of urban road. The optical design based on discrete expended source strikes a balance between cost and product stability, and provides a reference for LED lamp with high function-price ratio.

LED; road lighting; light distribution design; discrete extended light source; road lamp; lens; design; stability; cost

国家自然科学基金项目面上项目(项目编号：11575063)

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.03.015