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【摘 要】在以往的路灯照明建设中，不仅质量不高，路灯的利用率也很低。为了改善这一问题，文章提出了逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜。为了使人们更加了解这种照明工具，文章对其进行了研究，首先分析了逆向优化道路照明LED路灯配光曲线，其次阐述了分离变量优化设计断续曲面透镜，最后对设计实例与对比进行了分析，使该种照明灯具在城市化建设中实现更好地应用。
【关键词】逆向优化；设计；高能量利用率；LED路灯透镜
【中图分类号】TM923.5 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）07-0055-03
0 引言
当前，路灯照明建设在城市化建设中占據的地位越来越高。通过对灯具进行研究，使以往的高压钠灯发生了改变，逐渐在灯具中加入了二极管，使LED灯成为道路照明的主要工具。而在LED灯设计时，设计人员往往只注重单位面积上所接受可见光的光通量，而忽略了照明的亮度，致使道路上出现亮度不均匀的问题，不断产生亮与暗的横带，从而使夜间出行的人们常常会出现“斑马效应”，增加了道路的安全隐患。在以往的LED灯设计当中，通常是使用具有对称功能的透镜制成的，在绘制该灯具的配光曲线时，往往是对称的，一般的光能量照射到机动车道上，另一半照射在非机动车道上，使得光能量出现了严重的浪费现象，不仅其能量利用率不高，而且还会增加电力能源的消耗。为了改善这一问题，在一些地区对其进行了一定的改造，在安装灯具时，将其与路面的仰角进行了重新设计，改变为10～20 cm，这样就将上述能量利用率不高与浪费能源的问题解决了，但是又会出现新的问题，人们在夜间行走时，由于路灯仰角较大，就会使行人视野中存在不适宜亮度的分布，或者是在空间上出现极端的亮度对比，从而容易让行人产生眩光的问题，在一定程度上增加了道路安全的隐患。因此，加强对基于逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜进行研究具有重要的意义。
1 逆向优化道路照明LED路灯配光曲线
3 设计实例与对比分析
3.1 LED配光曲线优化结果
在对比的过程中，将研究目标划分为10×10的网格，规定xmax为40 m，ymax为12.5 m，A与B都为3，将其带入余弦多项式函数，就可以得到如图3所示的配光曲线。根据图3可以发现，配光曲线以0°或180°平面为基准，左右两侧相互对应，即对称型，而以90°或270°平面为基准，左右两侧相互之间没有对称关系，即为非对称型，同时中心光强都集中在道路中间的部分。之后将其输入Dialux软件中，进行进一步的模拟仿真工作。在该模拟仿真中，主要是对道路进行模拟，在路灯排布时，道路两侧是相对应安放的，每两个路灯之间相距30 m，路灯的高度H为5 m，并与路面保持平行状态，从4个角度分别进行观察。在观察的结果中，路灯的各项性能指标均达到了道路照准的要求，而且配光曲线的差距与实际的非常小[8]。因此，获得的配光曲线非常理想。
3.2 断续自由曲面透镜仿真与优化
在该项对比中，目标面规定为40 m×17.5 m，将其平均分成100×200的小网格，并将其安放到距透镜10 m处，将（0，6，0）作为其透镜的初始顶点。而且使用的透镜为PMMA材料制成的，因此其折射率nin为1.493，通过分离变量优化中的公式就可以得到相应的模型，将其导入CREE Xlamp XPE Ray中，对其进行模拟仿真，完成反馈优化环节，得到理想的透镜模型。在该模型中，其总体尺寸为33.8 mm×16.6 mm×10.2 mm，表面为断续曲面（如图3所示[9]）。
3.3 道路实例照明对比分析
在进行照明仿真中可以发现，路灯的亮度为0.64，单位面积上所接受可见光的光通量为0.732，与相关的标准进行对比，均达到了使用的要求。为了将其优越性能更好地体现出来，就将其与传统的LED路灯进行了比较，在比较中可以发现，在传统的路灯配光曲线中，与该种路灯相比而言，配光曲线的数值较大，亮度为0.40，达不到道路照明的要求，不仅会出现“斑马效应”，而且还会存在资源浪费的现象；而该项研究中的路灯配光曲线的数值相对较低，只有0.067左右，达到了道路照明的要求，提高了路灯的能量利用率[10]。
4 总结
综上所述，在道路建设中使用逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜，与传统的LED灯相比，单位面积上所接受可见光的光通量相对较高，有效地增加了能量利用率，而且在配光曲线中可以发现，能够减少1/5左右的能量使用，满足当前我国可持续发展的要求，具有很高的利用价值。随着社会的进步，科学技术的不断发展，各种现金技术的更新，因此，不能停止对逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜研究的步伐，使其在社会发展各个阶段中都能起到应有的作用。
参 考 文 献
[1]曾丹，彭冬生，蒋月，等.用于环形交叉路口照明的LED自由曲面透镜设计[J].激光与光电子学进展，2016（7）：243.
[2]刘雁杰，惠彬，李景镇，等.基于微透镜阵列生成特定矩形光斑的TIR组合透镜设计与仿真[J].光学仪器，2015，8（6）：517.
[3]李梦远，孙伽略，张大伟，等.基于自由曲面透镜结构的紫外发光二极管固化系统光学设计[J].光学学报，2014（12）：244.
[4]王宝，余荣斌，李丰果，等.多颗LED模组系统的排列方式及参数对光照均匀性的影响[J].照明工程学报，2013，11（5）：78.
[5]张航，贺叶美，严金华，等.基于均分配焦椭流线法的LED匀光管菲涅尔反射器设计[J].光子学报，2012（4）：421.
[6]罗元，毛建伟.一种利用自由曲面透镜的LED路灯配光设计与研究[J].光学仪器，2012，9（2）：72.
[7]闫兴涛，杨建峰，张国琦，等.基于经纬划分和切面迭代的自由曲面LED透镜设计[J].激光与光电子学进展，2011，5（2）：61.
[8]赵会富，刘华，孙强，等.基于折射/全反射/反射/折射结构的LED准直系统的设计[J].光学精密工程，2011，12（7）：1472.
[9]刘欣.LED照明的透射-全反射型复合曲面二次光学透镜的设计[J].应用光学，2011（5）：976.
[10]史永胜，买迪，宁磊，等.实现道路均匀照明的LED自由曲面透镜设计方法综述[J].照明工程学报，2010，8（5）：73.
[责任编辑：钟声贤]
【关键词】逆向优化；设计；高能量利用率；LED路灯透镜
【中图分类号】TM923.5 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）07-0055-03
0 引言
当前，路灯照明建设在城市化建设中占據的地位越来越高。通过对灯具进行研究，使以往的高压钠灯发生了改变，逐渐在灯具中加入了二极管，使LED灯成为道路照明的主要工具。而在LED灯设计时，设计人员往往只注重单位面积上所接受可见光的光通量，而忽略了照明的亮度，致使道路上出现亮度不均匀的问题，不断产生亮与暗的横带，从而使夜间出行的人们常常会出现“斑马效应”，增加了道路的安全隐患。在以往的LED灯设计当中，通常是使用具有对称功能的透镜制成的，在绘制该灯具的配光曲线时，往往是对称的，一般的光能量照射到机动车道上，另一半照射在非机动车道上，使得光能量出现了严重的浪费现象，不仅其能量利用率不高，而且还会增加电力能源的消耗。为了改善这一问题，在一些地区对其进行了一定的改造，在安装灯具时，将其与路面的仰角进行了重新设计，改变为10～20 cm，这样就将上述能量利用率不高与浪费能源的问题解决了，但是又会出现新的问题，人们在夜间行走时，由于路灯仰角较大，就会使行人视野中存在不适宜亮度的分布，或者是在空间上出现极端的亮度对比，从而容易让行人产生眩光的问题，在一定程度上增加了道路安全的隐患。因此，加强对基于逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜进行研究具有重要的意义。
1 逆向优化道路照明LED路灯配光曲线
3 设计实例与对比分析
3.1 LED配光曲线优化结果
在对比的过程中，将研究目标划分为10×10的网格，规定xmax为40 m，ymax为12.5 m，A与B都为3，将其带入余弦多项式函数，就可以得到如图3所示的配光曲线。根据图3可以发现，配光曲线以0°或180°平面为基准，左右两侧相互对应，即对称型，而以90°或270°平面为基准，左右两侧相互之间没有对称关系，即为非对称型，同时中心光强都集中在道路中间的部分。之后将其输入Dialux软件中，进行进一步的模拟仿真工作。在该模拟仿真中，主要是对道路进行模拟，在路灯排布时，道路两侧是相对应安放的，每两个路灯之间相距30 m，路灯的高度H为5 m，并与路面保持平行状态，从4个角度分别进行观察。在观察的结果中，路灯的各项性能指标均达到了道路照准的要求，而且配光曲线的差距与实际的非常小[8]。因此，获得的配光曲线非常理想。
3.2 断续自由曲面透镜仿真与优化
在该项对比中，目标面规定为40 m×17.5 m，将其平均分成100×200的小网格，并将其安放到距透镜10 m处，将（0，6，0）作为其透镜的初始顶点。而且使用的透镜为PMMA材料制成的，因此其折射率nin为1.493，通过分离变量优化中的公式就可以得到相应的模型，将其导入CREE Xlamp XPE Ray中，对其进行模拟仿真，完成反馈优化环节，得到理想的透镜模型。在该模型中，其总体尺寸为33.8 mm×16.6 mm×10.2 mm，表面为断续曲面（如图3所示[9]）。
3.3 道路实例照明对比分析
在进行照明仿真中可以发现，路灯的亮度为0.64，单位面积上所接受可见光的光通量为0.732，与相关的标准进行对比，均达到了使用的要求。为了将其优越性能更好地体现出来，就将其与传统的LED路灯进行了比较，在比较中可以发现，在传统的路灯配光曲线中，与该种路灯相比而言，配光曲线的数值较大，亮度为0.40，达不到道路照明的要求，不仅会出现“斑马效应”，而且还会存在资源浪费的现象；而该项研究中的路灯配光曲线的数值相对较低，只有0.067左右，达到了道路照明的要求，提高了路灯的能量利用率[10]。
4 总结
综上所述，在道路建设中使用逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜，与传统的LED灯相比，单位面积上所接受可见光的光通量相对较高，有效地增加了能量利用率，而且在配光曲线中可以发现，能够减少1/5左右的能量使用，满足当前我国可持续发展的要求，具有很高的利用价值。随着社会的进步，科学技术的不断发展，各种现金技术的更新，因此，不能停止对逆向优化设计的高能量利用率LED路灯透镜研究的步伐，使其在社会发展各个阶段中都能起到应有的作用。
参 考 文 献
[1]曾丹，彭冬生，蒋月，等.用于环形交叉路口照明的LED自由曲面透镜设计[J].激光与光电子学进展，2016（7）：243.
[2]刘雁杰，惠彬，李景镇，等.基于微透镜阵列生成特定矩形光斑的TIR组合透镜设计与仿真[J].光学仪器，2015，8（6）：517.
[3]李梦远，孙伽略，张大伟，等.基于自由曲面透镜结构的紫外发光二极管固化系统光学设计[J].光学学报，2014（12）：244.
[4]王宝，余荣斌，李丰果，等.多颗LED模组系统的排列方式及参数对光照均匀性的影响[J].照明工程学报，2013，11（5）：78.
[5]张航，贺叶美，严金华，等.基于均分配焦椭流线法的LED匀光管菲涅尔反射器设计[J].光子学报，2012（4）：421.
[6]罗元，毛建伟.一种利用自由曲面透镜的LED路灯配光设计与研究[J].光学仪器，2012，9（2）：72.
[7]闫兴涛，杨建峰，张国琦，等.基于经纬划分和切面迭代的自由曲面LED透镜设计[J].激光与光电子学进展，2011，5（2）：61.
[8]赵会富，刘华，孙强，等.基于折射/全反射/反射/折射结构的LED准直系统的设计[J].光学精密工程，2011，12（7）：1472.
[9]刘欣.LED照明的透射-全反射型复合曲面二次光学透镜的设计[J].应用光学，2011（5）：976.
[10]史永胜，买迪，宁磊，等.实现道路均匀照明的LED自由曲面透镜设计方法综述[J].照明工程学报，2010，8（5）：73.
[责任编辑：钟声贤]