首页 > 解决方案 > LED通用照明 > LightTools LightTools LED路灯设计

近几年来,LED路灯已逐渐取代传统的路灯,它包含了发光效率高、使用寿命长、体积轻便且易于设计创新的外形等优点。此外,透过二次光学的设计,如:透镜与反射片,则可改变LED原有发光光形以符合实用的需求与法规的规范。本文将介绍如何在LightTools中完成LED路灯设计,并分享一设计案例。

 

LightTools道路照明实用工具

LightTools特别针对路灯设计提供一套强大的道路照明实用工具,可根据规范的要求对路灯设计与架设条件进行优化,协助设计者设计出性能佳且符合成本效益的道路照明系统。

在道路照明实用工具中,光源可支持IES数据、LightTools强度网格与理论强度分布。道路几何可以设定路宽、路长、线道数量并内建多项路面系数,而路灯架设则可以设定架设高度、悬挑长度与角度,这些参数可以设定为变量,由LightTools优化架设的条件。

在优化与分析功能中,此工具可以给定不同规范的条件,并设定优化目标与权重,优化的结果值会自动与规范值比对,显示是否通过规范要求,如图1所示。

图1:路灯规范分析


此外,针对灯具的照度结果与不同的观察者所观测的亮度结果,则可显示原始数据与分布图,如图2所示。

图2:照度与亮度的结果


此工具亦提供可视化功能,可以直接呈现路灯在整体路面照射的结果,并提供强度分布的3D可视化网格图示,如图3所示。

图3:道路可视化

 

 根据道路几何的设定、RTable与灯具的照明分布结果,可对应不同位置之观察者产生道路照明渲染图示,如图4所示。

图4:道路照明渲染图示


IES Output分页中根据强度峰值与50%的强度分布位置,自动判断所设计路灯之IES类别,如图5所示。

图5:IES类别


LED路灯设计案例

以下分享一则设计案例,介绍如何在LightTools中建构LED路灯模型,并使用道路照明实用工具优化路灯设计。

此LED路灯设计目标为TypeI、Medium类型,而各项规范值如下表:

规范项目

规范值

环境比(SR)

0.5以上

平均亮度(Lave)

0.75cd以上

整体亮度均匀度(UO)

0.4以上

纵向亮度均匀度(UL)

0.6以上

阈值增量(TI)

15以下

表一:路灯设计规范值


光源使用Philips Lumileds LUXEON ES LED,其型号为LXML-PWC2,CCT为5650K,光通量则为150 Lumens,光形则近似Lambertian,如图6所示。

图6:LED光源信息


此路灯设计将使用多组的LED搭配低角度与高角度二次光学透镜组成,每组LED与透镜皆搭配一个反射杯的设计,以减少眩光问题,如图7所示。

图7:LED路灯二次光学架构


利用低角度透镜将原本LED的Lambertian分布光形转换为在40o半角内为均匀,且大角度为剧降的强度分布光形,如图8所示。

图8:低角度透镜设计

Medium类型的路灯设计,强度峰值需落于道路 2.25~3.75 倍安装高度的纵向位置上,根据几何关系:

则可计算出强度峰值需落于66o~75o之间,高角度透镜设计如图9所示。

图9:高角度透镜设计


为了减少眩光,可将每个LED放置于反射杯内,并于灯具上增加18 mm的外缘以减少大角度所产生的眩光,图10为高角度透镜的模拟结果。

图10:未减少大角度眩光v.s.减少大角度眩光


最后灯具将结合上述两种二次光学类型,并透过优化决定每种类型的数量,与灯具安装的高度。优化结果显示,低角度光学设计需提供2000 Lumens,故使用13组低角度光学设计于灯具中,而高角度光学设计需提供1500 Lumens,故使用10组高角度光学设计于灯具中,图11为最终整体灯具设计结果。

图11:整体灯具设计结果


根据不同的道路数目可设定标准观察者,计算模拟结果是否通过规范,图12显示,优化后的各项参数值皆符合规范要求。

图12:灯具优化结果分析


根据道路实用工具分析灯具IES类型,由于50%强度的等高线图落于横截方向+-1倍安装高度的范围内,符合Type I 类型,而强度峰值落于纵向3倍安装高度的位置,符合Medium类型,如图13所示。

图13:灯具符合IES Type I、Medium类型


图14为LED路灯的最终设计以可视化呈现的结果。

图14:LED路灯可视化设计结果

结论

LightTools的光学及结构设计功能,可使道路照明组件包括光源、透镜及反射镜等模型的建立更加快速及容易。针对路灯设计,LightTools提供一套强大的道路实用工具,可使用如CIE 140-2000等标准规范,进行评估、设计及优化亮度与照度于道路上的分布,帮助设计者提升路灯设计效率及节省开发成本。


 关于 Synopsys OSG
Synopsys 公司为全球知名IP半导体设计、验证与制造大厂,于2010年10月并购Optical Research Associates公司之后正式跨足光学设计领域,成立光学解决方案部继续光学产品CODE V / LightTools以及RSoft的开发作业。
 
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