Навыки подбора вторичной оптики для светодиодных уличных фонарей

В глобальном стремлении к энергосбережению, сокращению выбросов и устойчивому городскому развитию светодиодные уличные фонари постепенно заменили традиционные натриевые лампы высокого давления и стали основой систем городского освещения дорог. Благодаря своим преимуществам - высокой световой отдаче, длительному сроку службы, хорошей регулировке яркости и экологичности - светодиоды принесли революционное обновление дорожному освещению. Однако свет, излучаемый светодиодными чипами, по своей природе рассеянный, с неравномерным распределением и большими углами луча. Без эффективного оптического управления трудно соответствовать строгим требованиям к освещенности, равномерности, контролю бликов и эффективности использования света, предъявляемым к дорожному освещению. Вторичная оптическая конструкция, являясь ключевым звеном в оптимизации характеристик светодиодных уличных фонарей, стала основным направлением повышения качества освещения и достижения целей энергосбережения.

Вторичная оптика относится к процессу перераспределения и управления светом, излучаемым светодиодами, с помощью внешних оптических компонентов (таких как линзы, отражатели и т. д.) на основе первичной оптики (конструкция корпуса для максимального извлечения света из чипов). Ее основная цель - сконцентрировать свет на требуемой зоне освещения, уменьшить рассеяние недействительного света, оптимизировать кривые распределения света и, наконец, достичь баланса между высоким качеством освещения и низким энергопотреблением. В этой статье подробно рассматриваются ключевые навыки согласования вторичной оптики светодиодных уличных фонарей, охватывающие выбор компонентов, проектирование схем, адаптацию к условиям эксплуатации и решение распространенных проблем, чтобы предоставить практическое руководство для инженерных применений и оптимизации продукции.

Перед проведением согласования вторичной оптики необходимо уточнить основные требования к дорожному освещению, которые напрямую определяют направление оптического проектирования. Ключевые показатели, на которые следует обратить внимание, включают следующие аспекты:

• Освещенность и равномерность: В соответствии с классом дороги (магистральная дорога, второстепенная магистральная дорога, подъездная дорога, тротуар), обратитесь к международным стандартам (CIE) и местным спецификациям (например, CJJ 45-2015), чтобы определить требуемую среднюю освещенность и равномерность (обычно отношение минимальной освещенности к средней освещенности U1 ≥ 0,4). Например, городские магистральные дороги требуют более высокой средней освещенности (20-30 лк) и равномерности для обеспечения безопасности дорожного движения, в то время как тротуары могут соответствующим образом снизить стандарт (5-10 лк).
• Контроль бликов: Блики от уличных фонарей серьезно влияют на визуальный комфорт водителей и пешеходов и даже могут вызывать потенциальные угрозы безопасности. Необходимо контролировать интенсивность света в горизонтальном и восходящем направлениях с помощью вторичной оптики и выбирать соответствующие типы отсечки (полная отсечка, полуотсечка, неотсечка) в соответствии с условиями эксплуатации.
• Эффективность использования света: Основная цель вторичной оптики - уменьшить потери света. Свет, излучаемый светодиодами, должен быть максимально сконцентрирован на дорожном покрытии, избегая рассеивания в небо или окружающие нерелевантные области, чтобы повысить эффективность использования энергии, обеспечивая при этом эффект освещения.
• Адаптивность к окружающей среде: Следует учитывать такие факторы, как ширина дороги, высота столба , расстояние между установками, отражательная способность дорожного покрытия и окружающие здания. Например, узкие старые городские переулки и широкие городские магистральные дороги требуют совершенно разных схем распределения света.

Выбор компонентов вторичной оптики (линз и отражателей) напрямую влияет на эффект согласования. Различные компоненты имеют свои собственные характеристики и применимые сценарии, и необходимо выбирать и комбинировать их в соответствии с фактическими потребностями.

Линзы являются наиболее часто используемыми компонентами вторичной оптики в светодиодных уличных фонарях, которые реализуют перераспределение света посредством преломления. В соответствии со структурной конструкцией их можно разделить на следующие типы:

• Линзы полного внутреннего отражения (TIR): Основываясь на принципе полного внутреннего отражения, когда свет испускается из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, а угол падения больше критического угла, происходит полное внутреннее отражение, которое может эффективно собирать и перенаправлять рассеянный свет светодиодов. Его преимущества - высокая эффективность использования света (до 90% и более), равномерное распределение света и компактная структура. Он подходит для средних и высокомощных светодиодных уличных фонарей и может регулировать угол луча в пределах ±30° для удовлетворения основных потребностей в распределении света.
• Линзы со свободной формой поверхности: Это высокоточный оптический компонент, разработанный с асимметричным прямоугольным распределением света по осям X и Y. Он может реализовать индивидуальное распределение света в соответствии с конкретными потребностями дороги. Например, он может создавать равномерное распределение света ±60° по оси X (удовлетворяющее требованиям освещения по направлению длины дороги) и ±30° по оси Y, образуя распределение света "крыло летучей мыши", подходящее для дорожного освещения. Его преимущества - сильная настройка, идеальная адаптация к различной ширине и форме дорог и хороший эффект контроля бликов. Это первый выбор для высококлассных светодиодных уличных фонарей и специальных участков дорог (например, пандусов и перекрестков). При проектировании линз со свободной формой поверхности обычно используются такие методы, как метод дифференциальных уравнений и многопараметрическая оптимизация, для согласования распределения света источника света с целевой поверхностью освещения.
• Матричные линзы: Состоящие из нескольких небольших линз, они подходят для светодиодных уличных фонарей с многочиповой матричной компоновкой. Каждая маленькая линза соответствует одному светодиодному чипу, который может реализовать независимое управление светом каждого чипа, а затем интегрироваться для формирования требуемого общего распределения света. Его преимущества - гибкая регулировка распределения света и хорошая равномерность, что позволяет избежать проблемы неравномерного распределения света, вызванной многочиповым расположением. Он подходит для мощных светодиодных уличных фонарей, состоящих из светодиодных чипов мощностью от 1 Вт до нескольких ватт в матричном последовательно-параллельном соединении.

При выборе линз, помимо учета угла луча и типа распределения света, следует также обратить внимание на материал. ПК (поликарбонат) и ПММА (полиметилметакрилат) являются наиболее часто используемыми материалами. ПК обладает хорошей ударопрочностью и устойчивостью к высоким температурам, подходит для суровых условий эксплуатации на открытом воздухе; ПММА имеет более высокое светопропускание (>92%), но плохую ударопрочность, подходит для относительно стабильных условий установки.

Отражатели реализуют перераспределение света посредством отражения, которое часто используется в сочетании с линзами для устранения дефектов распределения света одной линзой. В соответствии с формой поверхности их можно разделить на параболические отражатели, эллиптические отражатели и неправильные отражатели:

• Параболические отражатели: Они могут преобразовывать рассеянный свет светодиодов в параллельный свет, который обладает высокой способностью к дальнему излучению. Он подходит для участков дорог, требующих дальнего освещения (например, городские магистральные дороги и автомагистрали), но равномерность распределения света относительно низкая, поэтому он обычно используется в сочетании с линзами для балансировки расстояния излучения и равномерности.
• Неправильные отражатели: Разработанные в соответствии с требуемой кривой распределения света, они могут реализовать асимметричное распределение света и подходят для участков дорог с особыми потребностями в освещении (например, тротуары, прилегающие к дорогам, и перекрестки). Они могут эффективно собирать свет, рассеянный в сторону, и перенаправлять его в целевую область, повышая эффективность использования света.

Ключом к выбору отражателей является эффективность отражения. Рекомендуется выбирать материалы с высокой отражающей способностью (например, алюминиевый сплав с анодированной обработкой, отражающая способность до 85% и более) для уменьшения потерь света. В то же время следует обратить внимание на гладкость поверхности, чтобы избежать неравномерного распределения света, вызванного шероховатыми поверхностями.

Суть согласования вторичной оптики заключается в разработке научной схемы распределения света в соответствии с дорожным сценарием. Ключевым моментом является согласование типа распределения света (TYPE1/TYPE2/TYPE3) и типа отсечки, а также разумное сочетание линз и отражателей для достижения оптимального эффекта освещения.

Международная общая классификация распределения света TYPE1/TYPE2/TYPE3 является основной основой для согласования, которая определяется отношением "ширина освещения к высоте столба":

• Узкие дороги (тротуары, старые городские переулки): Выберите распределение света TYPE1, соответствующее типу полной отсечки. Распределение света TYPE1 симметрично, ширина освещения приблизительно равна высоте столба (например, лампа высотой 10 метров освещает 10 метров в ширину), и свет концентрируется непосредственно внизу, не распространяясь по обеим сторонам. Согласование с линзами или отражателями полной отсечки может строго контролировать свет в пределах 65° вниз, избегая бликов и светового загрязнения для близлежащих жителей, что соответствует потребностям в освещении узких дорог и жилых районов.
• Дороги средней ширины (полосы для транспортных средств, не относящихся к категории мототранспорта, основные дороги в сообществе): Выберите распределение света TYPE2, соответствующее типу полуотсечки. Распределение света TYPE2 имеет немного более широкий диапазон освещения, охватывая в 1,5-2 раза высоту столба (например, лампа высотой 10 метров освещает 15-20 метров в ширину), при этом свет немного смещен в одну сторону, уравновешивая равномерность и площадь покрытия. Тип полуотсечки допускает небольшое количество горизонтального света, при этом интенсивность света в направлении 90° ≤50 кд/1000 лм и в направлении 80° ≤100 кд/1000 лм, что подходит для ежедневного освещения дорог средней ширины и позволяет избежать влияния на отдых окружающих жителей, обеспечивая при этом эффект освещения.
• Широкие дороги (городские магистральные дороги, автостоянки): Выберите распределение света TYPE3, соответствующее типу полуотсечки. Распределение света TYPE3 имеет самый широкий диапазон освещения, охватывая около 2,75 раз высоту столба (например, лампа высотой 10 метров освещает около 27,5 метров в ширину), с высокой горизонтальной способностью покрытия, подходящей для непрерывного освещения на большие расстояния. Согласование с линзами со свободной формой поверхности и параболическими отражателями может реализовать дальнее излучение и равномерное распределение света, удовлетворить потребности в освещении движения транспортных средств и в то же время контролировать блики с помощью конструкции полуотсечки.

Кривая распределения света светодиодных уличных фонарей напрямую определяет эффект освещения. Наиболее подходящей кривой распределения света для дорожного освещения является кривая "крыло летучей мыши", которая имеет высокую интенсивность света в середине и низкую интенсивность света по краям, избегая чрезмерной яркости в центре и темных областей по краям и эффективно улучшая равномерность освещенности дорожного покрытия. В процессе согласования вторичной оптики следует отметить следующие моменты:

• Для дорог, требующих равномерного освещения (например, городские магистральные дороги), выберите линзы или отражатели, которые могут генерировать распределение света "крыло летучей мыши", чтобы гарантировать, что разница освещенности между центром и краем дороги находится в разумных пределах;
• Для специальных участков дорог (например, перекрестков и пандусов) используйте асимметричную конструкцию распределения света, чтобы сосредоточить свет на ключевой области (например, центре перекрестка) и избежать потерь света;
• Используйте профессиональное программное обеспечение для оптического моделирования (например, DIALux, ASAP) для предварительного моделирования эффекта распределения света, отрегулируйте параметры линз и отражателей в соответствии с результатами моделирования и убедитесь, что кривая распределения света соответствует требованиям дизайна.

Согласование вторичной оптики должно быть тесно связано с характеристиками светодиодных источников света (угол излучения, световой поток, цветовая температура и т. д.), чтобы избежать несоответствия между источником света и оптическими компонентами, что приведет к снижению эффективности использования света и плохому эффекту освещения:

• Для светодиодов с большим углом излучения (120°-140°) следует выбирать линзы TIR или линзы со свободной формой поверхности для сбора рассеянного света и повышения эффективности использования света; для светодиодов с малым углом излучения можно использовать отражатели для расширения диапазона излучения;
• Цветовая температура светодиодных уличных фонарей обычно составляет 3000K-5000K. Для жилых районов и тротуаров рекомендуется теплый белый свет (3000K-4000K) для уменьшения бликов и улучшения визуального комфорта; для городских магистральных дорог и автомагистралей рекомендуется нейтральный белый свет (4000K-5000K) для улучшения распознавания дорожных знаков и препятствий;
• Для многочиповых светодиодных уличных фонарей следует выбирать матричные линзы для реализации независимого управления светом каждого чипа, избегать неравномерного распределения света, вызванного взаимными помехами между чипами, и обеспечивать общую равномерность освещения.

В фактическом процессе согласования вторичной оптики многие инженерные и проектные сотрудники будут допускать некоторые ошибки, которые влияют на эффект освещения и срок службы светодиодных уличных фонарей. Распространенные ошибки и способы их предотвращения:

• Слепое стремление к малому углу луча: Некоторые люди считают, что меньший угол луча может увеличить расстояние излучения, но игнорируют равномерность. Для широких дорог слишком малый угол луча приведет к узкому диапазону освещения и темным областям между соседними уличными фонарями; для узких дорог слишком большой угол луча вызовет потери света и блики. Угол луча следует выбирать в соответствии с шириной дороги и высотой столба, обычно 60°-120°.
• Игнорирование сочетания линз и отражателей: Слепое использование одной линзы или отражателя будет иметь ограничения. Например, одна линза имеет плохую способность к дальнему излучению, а один отражатель имеет плохую равномерность. Сочетание этих двух элементов может дополнять друг друга и достигать баланса между расстоянием излучения и равномерностью.
• Пренебрежение контролем бликов: Только фокусировка на освещенности и игнорирование контроля бликов повлияет на визуальный комфорт водителей и пешеходов. В процессе согласования следует выбирать соответствующий тип отсечки, а поверхность оптических компонентов следует обрабатывать (например, матовой обработкой) для уменьшения бликов.
• Игнорирование влияния факторов окружающей среды: Неучет отражательной способности дорожного покрытия, окружающих зданий и других факторов приведет к несоответствию фактического эффекта освещения проекту. Например, эффект отражения света от светлых дорожных покрытий (отражательная способность 0,3-0,4) лучше, чем от темных дорожных покрытий, и параметры распределения света могут быть соответствующим образом скорректированы в соответствии с цветом дорожного покрытия.

Согласование вторичной оптики светодиодных уличных фонарей - это не одноразовая работа. Для обеспечения стабильности эффекта согласования в течение длительного времени необходимы отладка после установки и регулярное техническое обслуживание:

• Отладка на месте: После установки уличных фонарей используйте профессиональные измерители освещенности для определения освещенности и равномерности дорожного покрытия, отрегулируйте угол установки уличных фонарей и параметры оптических компонентов в соответствии с результатами определения и убедитесь, что эффект освещения соответствует требованиям проекта. Например, отрегулируйте вылет консоли (0,5-1,5 метра), чтобы улучшить равномерность освещенности тротуаров, и отрегулируйте расстояние между столбами (обычно в 3-4 раза больше высоты установки), чтобы избежать темных областей.
• Регулярная очистка: На поверхности линз и отражателей со временем будут накапливаться пыль, грязь и другие примеси, что снизит светопропускание и эффективность отражения и повлияет на эффект согласования. Рекомендуется регулярно (раз в 3-6 месяцев) очищать оптические компоненты, чтобы обеспечить чистоту их поверхности.
• Регулярный осмотр: Регулярно осматривайте оптические компоненты на предмет повреждений, деформаций, старения и других явлений. Если обнаружена какая-либо проблема, своевременно замените их, чтобы избежать влияния на общий эффект освещения. В то же время проверьте светодиодный источник света на предмет светового потока (замените его, когда световой поток снизится более чем на 30%), чтобы обеспечить стабильность согласования между источником света и оптическими компонентами.

Согласование вторичной оптики светодиодных уличных фонарей - это систематический проект, который объединяет оптический дизайн, выбор компонентов, адаптацию к условиям эксплуатации и послепродажное обслуживание. Его суть заключается в том, чтобы взять требования к дорожному освещению в качестве руководства, выбрать подходящие оптические компоненты, разработать научные схемы распределения света и реализовать баланс между высоким качеством освещения, высокой эффективностью использования энергии и низкими бликами. С непрерывным развитием светодиодных технологий и технологий оптического проектирования технология согласования вторичной оптики светодиодных уличных фонарей станет более зрелой и интеллектуальной, например, адаптивные оптические системы, которые могут автоматически регулировать распределение света в соответствии с текущими условиями дорожного движения.

Для редакторов веб-сайтов Google, инженеров и соответствующих специалистов, овладение вышеуказанными навыками согласования вторичной оптики может не только улучшить качество освещения светодиодных уличных фонарей, снизить энергопотребление и затраты на техническое обслуживание, но и способствовать здоровому развитию светодиодного освещения промышленности и внести вклад в строительство энергосберегающих и экологически чистых городов. В будущем мы должны продолжать уделять внимание инновациям в оптических компонентах и методах проектирования и постоянно оптимизировать схему согласования вторичной оптики для удовлетворения все более разнообразных потребностей в дорожном освещении.