Wykorzystanie optyki wtórnej światła ulicznego LED

W globalnym dążeniu do oszczędzania energii, redukcji emisji i zrównoważonego rozwoju miast, uliczne oświetlenie LED stopniowo zastąpiło tradycyjne lampy sodowe wysokoprężne i stało się rdzeniem miejskich systemów oświetlenia drogowego. Dzięki swoim zaletom, takim jak wysoka wydajność świetlna, długa żywotność, dobra ściemnialność i ochrona środowiska, diody LED przyniosły rewolucyjną modernizację oświetlenia drogowego. Jednak światło emitowane przez chipy LED jest naturalnie rozproszone, z nierównomiernym rozkładem i dużymi kątami wiązki. Bez skutecznej kontroli optycznej trudno jest spełnić surowe wymagania oświetlenia drogowego dotyczące równomierności oświetlenia, kontroli olśnienia i efektywności wykorzystania światła. Konstrukcja optyki wtórnej, jako kluczowe ogniwo w optymalizacji wydajności ulicznych lamp LED, stała się głównym celem poprawy jakości oświetlenia i realizacji celów oszczędzania energii.

Optyka wtórna odnosi się do procesu redystrybucji i kontroli światła emitowanego przez diody LED za pomocą zewnętrznych elementów optycznych (takich jak soczewki, reflektory itp.) na podstawie optyki pierwotnej (konstrukcja obudowy w celu zmaksymalizowania ekstrakcji światła z chipów). Jej głównym celem jest skoncentrowanie światła na wymaganym obszarze oświetlenia, zmniejszenie nieprawidłowego rozpraszania światła, optymalizacja krzywych rozsyłu światła i ostatecznie osiągnięcie równowagi między wysoką jakością oświetlenia a niskim zużyciem energii. Ten artykuł szczegółowo opisze kluczowe umiejętności dopasowywania optyki wtórnej ulicznych lamp LED, obejmując dobór komponentów, projekt schematu, adaptację do sceny i rozwiązywanie typowych problemów, aby zapewnić praktyczne wskazówki dotyczące zastosowań inżynieryjnych i optymalizacji produktów.

Przed przystąpieniem do dopasowywania optyki wtórnej konieczne jest wyjaśnienie podstawowych wymagań oświetlenia drogowego, które bezpośrednio determinuje kierunek projektu optycznego. Kluczowe wskaźniki, na które należy zwrócić uwagę, obejmują następujące aspekty:

• Natężenie oświetlenia i równomierność: Zgodnie z klasą drogi (droga główna, droga drugorzędna, droga boczna, chodnik), należy odnieść się do norm międzynarodowych (CIE) i specyfikacji lokalnych (takich jak CJJ 45-2015), aby określić wymagane średnie natężenie oświetlenia i równomierność (zazwyczaj stosunek minimalnego natężenia oświetlenia do średniego natężenia oświetlenia U1 ≥ 0,4). Na przykład miejskie drogi główne wymagają wyższego średniego natężenia oświetlenia (20-30 lx) i równomierności, aby zapewnić bezpieczeństwo jazdy, podczas gdy chodniki mogą odpowiednio obniżyć standard (5-10 lx).
• Kontrola olśnienia: Olśnienie z lamp ulicznych poważnie wpływa na komfort widzenia kierowców i pieszych, a nawet powoduje potencjalne zagrożenia dla bezpieczeństwa. Konieczne jest kontrolowanie natężenia światła w kierunkach poziomym i w górę za pomocą optyki wtórnej oraz wybór odpowiednich typów odcięcia (pełne odcięcie, pół-odcięcie, bez odcięcia) w zależności od sceny.
• Efektywność wykorzystania światła: Głównym celem optyki wtórnej jest zmniejszenie strat światła. Światło emitowane przez diody LED powinno być w jak największym stopniu skoncentrowane na powierzchni drogi, unikając rozpraszania się w kierunku nieba lub otaczających, nieistotnych obszarów, aby poprawić efektywność wykorzystania energii przy jednoczesnym zapewnieniu efektu oświetlenia.
• Adaptacja do środowiska: Należy wziąć pod uwagę takie czynniki, jak szerokość drogi, wysokość słupa , odstępy między lampami, współczynnik odbicia nawierzchni i otaczające budynki. Na przykład wąskie, stare miejskie uliczki i szerokie miejskie drogi główne wymagają zupełnie innych schematów rozsyłu światła.

Wybór komponentów optyki wtórnej (soczewek i reflektorów) bezpośrednio wpływa na efekt dopasowania. Różne komponenty mają swoje własne cechy i odpowiednie scenariusze, i konieczne jest ich wybieranie i łączenie zgodnie z rzeczywistymi potrzebami.

Soczewki są najczęściej używanymi komponentami optyki wtórnej w ulicznych lampach LED, które realizują redystrybucję światła poprzez załamanie. Zgodnie z konstrukcją strukturalną można je podzielić na następujące typy:

• Soczewki całkowitego wewnętrznego odbicia (TIR): Oparte na zasadzie całkowitego wewnętrznego odbicia, gdy światło jest emitowane z ośrodka optycznie gęstszego do ośrodka optycznie rzadszego, a kąt padania jest większy niż kąt krytyczny, następuje całkowite wewnętrzne odbicie, które może skutecznie zbierać i przekierowywać rozproszone światło diod LED. Jego zaletami są wysoka efektywność wykorzystania światła (do 90% lub więcej), równomierny rozkład światła i kompaktowa struktura. Nadaje się do średnich i wysokiej mocy ulicznych lamp LED i może regulować kąt wiązki w zakresie ±30°, aby spełnić podstawowe potrzeby w zakresie rozsyłu światła.
• Soczewki o swobodnej powierzchni: Jest to precyzyjny komponent optyczny zaprojektowany z asymetrycznym prostokątnym rozsyłem światła w osiach X i Y. Może realizować niestandardowy rozsył światła zgodnie z konkretnymi potrzebami drogi. Na przykład może generować równomierny rozsył światła ±60° w osi X (spełniający wymagania oświetleniowe w kierunku długości drogi) i ±30° w osi Y, tworząc rozsył światła "batwing" odpowiedni do oświetlenia drogowego. Jego zaletami są silna personalizacja, doskonałe dopasowanie do różnych szerokości i kształtów dróg oraz dobry efekt kontroli olśnienia. Jest to pierwszy wybór dla wysokiej klasy ulicznych lamp LED i specjalnych odcinków dróg (takich jak rampy i skrzyżowania). Projekt soczewek o swobodnej powierzchni zwykle przyjmuje metody takie jak metoda równań różniczkowych i optymalizacja wielu parametrów, aby dopasować rozsył światła ze źródła światła do docelowej powierzchni oświetleniowej.
• Soczewki matrycowe: Składają się z wielu małych soczewek, nadają się do ulicznych lamp LED z układem matrycowym wielo-chipowym. Każda mała soczewka odpowiada jednemu chipowi LED, co pozwala na niezależną kontrolę światła każdego chipa, a następnie integrację w celu utworzenia wymaganego ogólnego rozsyłu światła. Jego zaletami są elastyczna regulacja rozsyłu światła i dobra równomierność, co pozwala uniknąć problemu nierównomiernego rozsyłu światła spowodowanego układem wielo-chipowym. Nadaje się do ulicznych lamp LED dużej mocy, składających się z chipów LED o mocy od 1 W do kilku watów w połączeniu szeregowo-równoległym.

Przy wyborze soczewek, oprócz uwzględnienia kąta wiązki i typu rozsyłu światła, należy również zwrócić uwagę na materiał. PC (poliwęglan) i PMMA (polimetakrylan metylu) są najczęściej używanymi materiałami. PC ma dobrą odporność na uderzenia i wysoką temperaturę, odpowiedni do trudnych warunków zewnętrznych; PMMA ma wyższą przepuszczalność światła (>92%), ale słabą odporność na uderzenia, odpowiedni do stosunkowo stabilnych środowisk instalacji.

Reflektory realizują redystrybucję światła poprzez odbicie, które jest często stosowane w połączeniu z soczewkami, aby zrekompensować wady pojedynczego rozsyłu światła soczewki. Zgodnie z kształtem powierzchni można je podzielić na reflektory paraboliczne, eliptyczne i nieregularne:

• Reflektory paraboliczne: Mogą skupiać rozproszone światło diod LED w światło równoległe, które ma silną zdolność napromieniowania na duże odległości. Nadaje się do odcinków dróg, które wymagają oświetlenia na duże odległości (takich jak miejskie drogi główne i autostrady), ale równomierność rozsyłu światła jest stosunkowo słaba, dlatego zwykle stosuje się je w połączeniu z soczewkami, aby zrównoważyć odległość napromieniowania i równomierność.
• Reflektory nieregularne: Zaprojektowane zgodnie z wymaganą krzywą rozsyłu światła, mogą realizować asymetryczny rozsył światła i nadają się do odcinków dróg o specjalnych potrzebach oświetleniowych (takich jak chodniki przylegające do dróg i skrzyżowania). Mogą skutecznie zbierać światło rozproszone na boki i przekierowywać je do obszaru docelowego, poprawiając efektywność wykorzystania światła.

Kluczem do wyboru reflektorów jest efektywność odbicia. Zaleca się wybór materiałów o wysokiej odbijalności (takich jak stop aluminium z obróbką anodowaną, odbijalność do 85% lub więcej), aby zmniejszyć straty światła. Jednocześnie należy zwrócić uwagę na gładkość powierzchni, aby uniknąć nierównomiernego rozsyłu światła spowodowanego szorstkimi powierzchniami.

Rdzeniem dopasowywania optyki wtórnej jest sformułowanie naukowego schematu rozsyłu światła zgodnie ze scenariuszem drogowym. Kluczem jest dopasowanie typu rozsyłu światła (TYPE1/TYPE2/TYPE3) i typu odcięcia oraz rozsądne połączenie soczewki i reflektora w celu uzyskania optymalnego efektu oświetlenia.

Międzynarodowa klasyfikacja rozsyłu światła TYPE1/TYPE2/TYPE3 jest podstawą dopasowania, która jest określana przez stosunek "szerokości napromieniowania do wysokości słupa":

• Wąskie drogi (chodniki, stare miejskie uliczki): Wybierz dopasowanie rozsyłu światła TYPE1 z pełnym odcięciem. Rozsył światła TYPE1 jest symetryczny, z szerokością napromieniowania w przybliżeniu równą wysokości słupa (np. lampa o wysokości 10 metrów oświetla 10 metrów szerokości), a światło jest skoncentrowane bezpośrednio poniżej, bez rozprzestrzeniania się na obie strony. Dopasowanie z soczewkami lub reflektorami z pełnym odcięciem może ściśle kontrolować światło w zakresie 65° w dół, unikając olśnienia i zanieczyszczenia światłem pobliskich mieszkańców, co jest zgodne z potrzebami oświetleniowymi wąskich dróg i obszarów mieszkalnych.
• Drogi o średniej szerokości (pasy dla pojazdów innych niż silnikowe, główne drogi osiedlowe): Wybierz dopasowanie rozsyłu światła TYPE2 z pół-odcięciem. Rozsył światła TYPE2 ma nieco szerszy zakres napromieniowania, obejmujący 1,5-2 razy wysokość słupa (np. lampa o wysokości 10 metrów oświetla 15-20 metrów szerokości), ze światłem lekko przesuniętym na jedną stronę, równoważąc równomierność i obszar pokrycia. Pół-odcięcie pozwala na niewielką ilość światła poziomego, z natężeniem światła w kierunku 90° ≤50cd/1000lm i kierunku 80° ≤100cd/1000lm, co jest odpowiednie do codziennego oświetlenia dróg o średniej szerokości i może uniknąć wpływu na odpoczynek okolicznych mieszkańców przy jednoczesnym zapewnieniu efektu oświetlenia.
• Szerokie drogi (miejskie drogi główne, parkingi): Wybierz dopasowanie rozsyłu światła TYPE3 z pół-odcięciem. Rozsył światła TYPE3 ma najszerszy zakres napromieniowania, obejmujący około 2,75 razy wysokość słupa (np. lampa o wysokości 10 metrów oświetla około 27,5 metrów szerokości), z silną zdolnością pokrycia poziomego, odpowiednią do ciągłego oświetlenia na duże odległości. Dopasowanie z soczewkami o swobodnej powierzchni i reflektorami parabolicznymi może realizować napromieniowanie na duże odległości i równomierny rozsył światła, spełniać potrzeby oświetleniowe ruchu pojazdów silnikowych, a jednocześnie kontrolować olśnienie poprzez konstrukcję pół-odcięcia.

Krzywa rozsyłu światła ulicznych lamp LED bezpośrednio determinuje efekt oświetlenia. Najbardziej odpowiednią krzywą rozsyłu światła dla oświetlenia drogowego jest krzywa "batwing", która ma wysokie natężenie światła pośrodku i niskie natężenie światła na krawędziach, unikając nadmiernej jasności w centrum i ciemnych obszarów na krawędziach oraz skutecznie poprawiając równomierność natężenia oświetlenia nawierzchni. W procesie dopasowywania optyki wtórnej należy zwrócić uwagę na następujące punkty:

• W przypadku dróg, które wymagają równomiernego oświetlenia (takich jak miejskie drogi główne), należy wybrać soczewki lub reflektory, które mogą generować rozsył światła "batwing", aby zapewnić, że różnica natężenia oświetlenia między środkiem a krawędzią drogi mieści się w rozsądnym zakresie;
• W przypadku specjalnych odcinków dróg (takich jak skrzyżowania i rampy) należy przyjąć asymetryczną konstrukcję rozsyłu światła, aby skupić światło na kluczowym obszarze (takim jak środek skrzyżowania) i uniknąć marnowania światła;
• Użyj profesjonalnego oprogramowania do symulacji optycznej (takiego jak DIALux, ASAP), aby z wyprzedzeniem zasymulować efekt rozsyłu światła, dostosuj parametry soczewek i reflektorów zgodnie z wynikami symulacji i upewnij się, że krzywa rozsyłu światła spełnia wymagania projektowe.

Dopasowanie optyki wtórnej powinno być ściśle połączone z charakterystykami źródeł światła LED (kąt świecenia, strumień świetlny, temperatura barwowa itp.), aby uniknąć niedopasowania między źródłem światła a elementami optycznymi, co prowadzi do zmniejszenia efektywności wykorzystania światła i słabego efektu oświetlenia:

• W przypadku diod LED o dużym kącie świecenia (120°-140°) należy wybrać soczewki TIR lub soczewki o swobodnej powierzchni, aby zebrać rozproszone światło i poprawić efektywność wykorzystania światła; w przypadku diod LED o małym kącie świecenia można użyć reflektorów, aby rozszerzyć zakres napromieniowania;
• Temperatura barwowa ulicznych lamp LED wynosi zwykle 3000K-5000K. W przypadku obszarów mieszkalnych i chodników zaleca się ciepłe białe światło (3000K-4000K), aby zmniejszyć olśnienie i poprawić komfort widzenia; w przypadku miejskich dróg głównych i autostrad zaleca się neutralne białe światło (4000K-5000K), aby poprawić rozpoznawanie znaków drogowych i przeszkód;
• W przypadku ulicznych lamp LED z wieloma chipami należy wybrać soczewki matrycowe, aby zrealizować niezależną kontrolę światła każdego chipa, uniknąć nierównomiernego rozsyłu światła spowodowanego wzajemnymi zakłóceniami między chipami i zapewnić ogólną równomierność oświetlenia.

W rzeczywistym procesie dopasowywania optyki wtórnej wiele osób z personelu inżynieryjnego i projektowego popełnia pewne błędy, które wpływają na efekt oświetlenia i żywotność ulicznych lamp LED. Typowe błędy i metody unikania to:

• Ślepe dążenie do małego kąta wiązki: Niektórzy uważają, że mniejszy kąt wiązki może poprawić odległość napromieniowania, ale ignorują równomierność. W przypadku szerokich dróg zbyt mały kąt wiązki doprowadzi do wąskiego zakresu napromieniowania i ciemnych obszarów między sąsiednimi lampami ulicznymi; w przypadku wąskich dróg zbyt duży kąt wiązki spowoduje marnowanie światła i olśnienie. Kąt wiązki należy wybrać zgodnie z szerokością drogi i wysokością słupa, zwykle 60°-120°.
• Ignorowanie połączenia soczewek i reflektorów: Ślepe używanie pojedynczej soczewki lub reflektora będzie miało ograniczenia. Na przykład pojedyncza soczewka ma słabą zdolność napromieniowania na duże odległości, a pojedynczy reflektor ma słabą równomierność. Połączenie tych dwóch może się wzajemnie uzupełniać i osiągnąć równowagę między odległością napromieniowania a równomiernością.
• Pomijanie kontroli olśnienia: Skupianie się tylko na natężeniu oświetlenia i ignorowanie kontroli olśnienia wpłynie na komfort widzenia kierowców i pieszych. W procesie dopasowywania należy wybrać odpowiedni typ odcięcia, a powierzchnię elementów optycznych należy poddać obróbce (takiej jak obróbka matowa), aby zmniejszyć olśnienie.
• Ignorowanie wpływu czynników środowiskowych: Niezastosowanie się do uwzględnienia współczynnika odbicia nawierzchni, otaczających budynków i innych czynników doprowadzi do niezgodności rzeczywistego efektu oświetlenia z projektem. Na przykład efekt odbicia światła jasnych nawierzchni (odbijalność 0,3-0,4) jest lepszy niż ciemnych nawierzchni, a parametry rozsyłu światła można odpowiednio dostosować do koloru nawierzchni.

Dopasowanie optyki wtórnej ulicznych lamp LED nie jest jednorazową pracą. Potrzebne jest debugowanie po instalacji i regularna konserwacja, aby zapewnić, że efekt dopasowania pozostanie stabilny przez długi czas:

• Debugowanie na miejscu: Po zainstalowaniu lamp ulicznych należy użyć profesjonalnych mierników natężenia oświetlenia do wykrywania natężenia oświetlenia i równomierności nawierzchni, dostosować kąt instalacji lamp ulicznych i parametry elementów optycznych zgodnie z wynikami wykrywania oraz upewnić się, że efekt oświetlenia spełnia wymagania projektowe. Na przykład dostosuj długość wspornika (0,5-1,5 metra), aby poprawić równomierność natężenia oświetlenia chodników i dostosuj odstępy między słupami (zwykle 3-4 razy wysokość instalacji), aby uniknąć ciemnych obszarów.
• Regularne czyszczenie: Powierzchnia soczewek i reflektorów z czasem gromadzi kurz, brud i inne zanieczyszczenia, co zmniejsza przepuszczalność światła i efektywność odbicia oraz wpływa na efekt dopasowania. Zaleca się regularne czyszczenie elementów optycznych (co 3-6 miesięcy), aby zapewnić czystość ich powierzchni.
• Regularna kontrola: Regularnie sprawdzaj elementy optyczne pod kątem uszkodzeń, deformacji, starzenia i innych zjawisk. Jeśli zostanie znaleziony jakikolwiek problem, wymień je na czas, aby uniknąć wpływu na ogólny efekt oświetlenia. Jednocześnie sprawdź źródło światła LED pod kątem zaniku światła (wymień je, gdy zanik światła przekracza 30%), aby zapewnić stabilność dopasowania między źródłem światła a elementami optycznymi.

Dopasowanie optyki wtórnej ulicznych lamp LED to systematyczny projekt, który integruje projekt optyczny, dobór komponentów, adaptację do sceny i konserwację po instalacji. Jego rdzeniem jest przyjęcie wymagań oświetlenia drogowego jako przewodnika, wybór odpowiednich elementów optycznych, sformułowanie naukowych schematów rozsyłu światła i realizacja równowagi między wysoką jakością oświetlenia, wysoką efektywnością wykorzystania energii i niskim olśnieniem. Wraz z ciągłym rozwojem technologii LED i technologii projektowania optycznego, technologia dopasowywania optyki wtórnej ulicznych lamp LED będzie bardziej dojrzała i inteligentna, na przykład adaptacyjne systemy optyczne, które mogą automatycznie dostosowywać rozsył światła w zależności od warunków ruchu w czasie rzeczywistym.

Dla redaktorów stron internetowych Google, inżynierów i pokrewnych praktyków, opanowanie powyższych umiejętności dopasowywania optyki wtórnej może nie tylko poprawić jakość oświetlenia ulicznych lamp LED, zmniejszyć zużycie energii i koszty konserwacji, ale także promować zdrowy rozwój branży oświetlenia LED i przyczynić się do budowy miast oszczędzających energię i przyjaznych dla środowiska. W przyszłości powinniśmy nadal zwracać uwagę na innowacje w zakresie elementów optycznych i metod projektowania oraz stale optymalizować schemat dopasowywania optyki wtórnej, aby sprostać coraz bardziej zróżnicowanym potrzebom oświetlenia drogowego.