LED路灯透镜的光学设计及制作工艺研究

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当今照明行业对于道路灯具的设计要求越来越高,所设计透镜的配光不仅要满足《城市道路照明设计标准》和《道路照明灯具节能认证技术要求》中的要求,且在原有的道路基础上要实现其道路亮度总均值、纵向亮度均匀值、照度总均匀度等的不断提高,使其对行人和车辆驾驶员的眩光值降低,以此来提高道路安全系数,减少因道路照明所引起的事故。目前国内已经有很多的LED路灯,但是其运用的道路杆距比(相邻两灯具距离与杆高的比值)为3.2、3.5、3.6、3.8、4.0等,限制了道路灯具的排布,增大了道路照明成本。因此需要对光学透镜进行新型设计来拓展道路照明技术的应用范围,进一步提高LED道路照明的水平,降低道路照明建设的成本。为了提高LED路灯透镜照明的质量且降低道路照明成本,本文研究了杆距比为4.2的LED路灯透镜的设计方案。依据LED光源发光原理、非成像光学理论和道路照明要求标准,研究设计透镜的偏微分方程求解法和试错法,利用两种方法分别设计了适用四车道、六车道照明的LED路灯,并根据整体方案对光学系统的光路进行仿真模拟,针对模拟结果进行分析。试错法,即通过建模、光线追迹、场景模拟等分析结构,若模拟结果不符合道路照明要求,分析出现问题的原因,对所建模型进行点坐标的试错修改,最终得到符合要求的光斑、配光及场景模拟结果。偏微分方程求解法,即根据斯涅耳定律,边缘光线原理等建立初始的微分方程组,运用MATLAB编程解出微分方程组的数值解,把得到的自由曲面上的离散点数据导入Solidworks中建模、模型导入Tracepro软件进行光线追迹,并在DIAlux进行场景模拟,确定了最终的结构。本文主要研究了LED路灯透镜的光学设计及模具设计的方法、模具材料的选用和加工工艺、注塑加工材料以及其流程。运用两种不同方法设计得到两款透镜分别用于四车道和六车道照明;并且四车道透镜的U0达到0.64、UI 0.78、TI 8、SR 0.53、Ehav 0.565、CU大于0.75;六车道透镜的U0达到0.60、UI 0.76、TI 9、SR 0.78、Ehav 0.650、CU为0.60;均实现了杆距比为4.2的照明目的。使用热流道模具加工生产,获得无水口料的透镜,并对其产品性能进行了实际测试,得到透镜的光强曲线分布均满足要求,验证了设计的正确性。使得同等100 km的道路照明,相对于安装杆距比4.0路灯可节约120余盏灯具,大大降低了道路的照明成本。
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