《電子技術(shù)應(yīng)用》
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LED路燈反光碗式和透鏡式的二次光學(xué)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(xué)設(shè)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(xué)解決方案——獨(dú)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(yīng)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(yīng)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(xué)設(shè)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(xué)解決方案——獨(dú)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(shù)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(shè)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(shè)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(shè)置了全吸收的基板,,以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)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(xué)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(shè)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(jié)合設(shè)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(yīng)的位置,。

  將反射壁設(shè)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(xué)系統(tǒng)直接照射:

LED

  由此可見:該光學(xué)系統(tǒng)中有41.88%的光是直接照射,不需經(jīng)過光學(xué)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(qiáng)鋁膜或者銀模,,反射效率可以達(dá)到90%以上,因此反光系統(tǒng)效率可以達(dá)到并超過以下數(shù)值:

41.88%+58.12%×90%=94.19%

  遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(dá)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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