摘要：本文主要从照明灯具光学特性及光能分布方面论述了本文主题，旨在与同行探讨学习，共同进步。
关键词：LED道路照明；光学系统；光能分布；研究
一、道路照明
（一）道路照明灯具光学特性
1.发光强度空间分布。在空间各个方向上任何灯具的发光强度均不一样，各灯具的发光强度在空间分布的实际情况可通过数字或者图形记录下来，通过这些数字或者图形，我们可以及时了解和掌握各灯具的光强分布情况，并在此基础上实施照度、高度比以及亮度和距离等各个照明的计算。
2.灯具效率。灯具效率是指灯具利用光源光通量的程度，通常情况下灯具效率总小于1，其在符合使用要求的基础上，灯具效率应该越高越好。
3.灯具亮度分布与遮光角。灯具的亮度分布以及遮光角是评价视觉舒适感不可或缺的参数，在灯具测光数据中通常均有灯具在不同方向上所呈现的平均亮度值，尤其是眩光角在45°—85 °范围内亮度值和灯具遮光角的相关数据。
（二）道路照明
为了车辆在夜间时可在道路上安全且迅速的行驶，必须要具备相应的试看条件。而观察者自身的视觉可靠性主要取决于在照明条件下，其观察路面变化的能力以及舒适感等，即“视舒适”与“视功能”，若照明条件较为恶劣，其视觉分辨能力就会比较差，行车不舒适，很容易引发交通事故。
1.道路照明的评价指标。道路照明好坏的评价主要有以下几个指标：第一，照明水平；第二，照明的均匀度；第三，眩光的限制；第四，道路照明诱导性。道路照明要想为观察者提供一个视觉安全且可靠的条件，必须要在满足视舒适与视功能的条件下才可以得到。
2.平均亮度。道路表面或者路面上的物体可以被人们看清楚，其主要取决于物体反射光线，其反射光线越多，其视感觉就会越强烈，这样物体就会看的更加清楚。因此，我们了解到落到道路路面上照度大小并不可以直接说明视感觉自身的强烈程度，而则是应该取决于物体或者路面的表面亮度，该亮度又取决于每一单位亮度区域所辐射出的光量总数以及观察者方向所对应的立体角等。
二、照明光学系统和光能分布
照明光学系统是一种非成像光学系统，其和传统成像光学系统不同，这种系统所注重的不是信息的传递而是能量的分配，主要是从能量传递的规律这一角度来研究光学系统。LED光学系统设计就是指非成像的光学系统设计，其主要包括器件内光学设计与器件外光学设计，在器件内光学的设计涉及到封装芯片与芯片的光学透镜，影响LED芯片出射光能量的分布以及光提取效率的关键就是器件内光学设计。而器件外光学设计是指封装结构外的光学系统设计，通常也称之为LED二次光学设计，其主要的目的就是在封装结构添加反射或者投射等相关结构，促使空间的光强分布符合实际要求。
（一）LED照明光学设计的步骤
在进行LED照明光学设计的时候，应该着重考虑物方空间亮度的分布、像方亮度分布的特性以及光源的形状等。照明光学系统主要包括光源、照明平面以及光学系统，将计算机模拟引入到照明光学系统中，其光源可用光线方向矢量、光线数量和长度以及光线与光轴之间的夹角来进行表示。光学系统主要是用于光源光能量在空间分布的重新分配，通过光学系统，光源所发出的光线在照明平面上会产生一种特定的分布。
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通常情况下用户对其照明平面均会提出相应的要求，因此在设计的时候，设计者可通过光源的选择以及光学系统的设计来尽量满足用户的要求，计算光源所发出的光线，利用光学系统在目标平面上将照度分布情况显示出来，接着再将其和用户所要求的照度分布进行比较，按照其比较结果来适当地修改光学系统。最后在此基础上结合相关的计算机软件来设计照明光学系统，其设计的基本步骤主要如下：
1.按照系统应用领域和要求，对照明光学系统的实体进行建模，其主要包括两个部分，即系统发光部分与非发光部分，模型复杂程度应该结合其具体应用。
2.对系统中几何模型的各个面属性进行定义，简而言之就是对系统的光学定义。接着对已构造的系统光学模型实施非序列的光线追迹，在结束光线追迹以后，分析所追迹的光线，其具体的分析方式有照度叠加分析法、空间光强分布以及在某一平面上照度的分布等。
在本文中，采用的照明设计软件为Light Tools，通过该软件来设计LED阵列光源二次光学，其具体的步骤主要如下：第一，明确LED光源的数目与排列的方式，进行LED光源形状的设计，并设置相应的参数；第二，添加相应的光学元件，在合适的位置放置光源；第三，利用照明设计软件来计算照明，包含计算总的光通量、光照度以及空间各点的光强等；第四，检查灯具的配光各参数是否符合预定要求；第五，若没有达到设计的要求，根据配光曲线中没有达到要求的部分，再进行计算和修改。
（二）LED路灯光学系统的仿真设计以及光能分布
1.光源的设置。光源设置是设计和研究LED道路照明光学系统的基础，在整个系统设计中与光强分析中有着举足轻重的作用。Light Tools 软件利用Monte Carlo方法来模拟，通过对每一条光线的放线、波长、位置以及强度的描述来建立光源，计算光线并通过光学元件结果来预测照度、比色、强度以及亮度的分布情况。除了明确光强分布以外，在光源设置中应该明确光束发散角、光源波长以及材料设置等。
2.光学元件材料的选用以及设置。在该系统中，其材料为有机玻璃，这种有机玻璃是一种热塑性塑料，其密度在1.19—1.20，透明度很高，其透射率可以达到92—93%，同时其重量仅仅只是普通玻璃的二分之一，硬度和金属铝相当，具有很强的耐老化性与耐热性，可耐电弧，该玻璃自身的热塑加工性质比较好，便于加工成型。
3.接收面设置。接收面是指路灯照射下的道路路面，Light Tools软件中的接收面包含三种，即平面、无限远场以及有限远场。本文着重研究的是38×11m范围内光强的分布。其中38m为道路上沿着车辆行驶方向的长度，11m为其垂直方向上的长度，为了更准确、有效且直观的研究路面照度的分布，在这里其接收面大小设置为40×40m，并且将12m做作为路面和路灯的之间的垂直距离。
4.光能分布。传统路灯光强分布均呈一个中心亮圆斑形状，为了适应国家照明标准关于其均匀性方面的要求，经常不得不将其输出功率提高，结果却导致大量的能量浪费在路灯正下方的中心处以及道路的外侧，造成总的能量利用率减少。因此为了能够实现预期效果，在光源的正前方应该设置合理且科学的光学系统，调整所出射的光线，以此有效改善路面照度的分布。评价光学系统的好坏，主要看两个标准：第一个是道路边缘照度值，其数值约大，其照度的均匀性也就越好；第二个是道路光强分布图，其中心亮斑越接近矩形，其光学系统性能也就越好。此外，因受灯具空间限制，其光学系统和光源之间的距离不可太远，尽量不要超过60mm， 同时也不可太近，不然其光源所发出的热能就会导致光学系统发生变形。
参考文献：
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论文作者:李增勇
论文发表刊物:《基层建设》2016年16期
论文发表时间:2016/11/3
标签：光源论文; 光学论文; 光学系统论文; 照度论文; 道路论文; 灯具论文; 亮度论文; 《基层建设》2016年16期论文;