市政道路大功率LED_照明灯具光学系统设计及仿真

市政道路照明具有重要的安全性意义与经济价值，同时也涉及环境保护等方面的考虑。

在该文研究中，相关工作人员通过仿真分析评估了照明系统的照度均匀度、总光束输出和光污染等因素，以指导灯具的制造和应用。

因此，市政道路大功率LED照明灯具光学系统设计及仿真应基于对能耗、环境和人类健康的共同考虑，以期实现高效、环保且持久的照明方式。

1 LED光源二次光学设计
使用LED芯片之前，需要对其进行封装处理。

在这个过程中需要进行光学设计，以取得高光效率和符合发光要求的配光，这种设计称为一次光学设计，其质量和参数决定了LED发光芯片的出光质量和性能[1]。

而使用LED时，还需要进行二次光学设计来确保整个系统的光强、出光效率和色温的分布状况良好，详见表1。

在实际设计过程中，光强、出光效率以及色温的分布状况会根据具体的光学设计要求和LED光源特性进行调整。

1.1 一次光学设计
一次光学设计是指对LED发光芯片进行光学配光设计，以使出光质量和性能符合要求。

这个过程需要考虑如下主要因素。

1.1.1 建立光学模型
通过数学模型对LED光源进行描述，包括发光原理、物理特性等。

并基于抛物线成像原理，结合透镜或反射器的形状参数来设计出符合要求的光强分布。

例如在道路照明中需要设计出均匀的照明强度以提高行车安全性。

1.1.2 设计端面封装样式
对LED芯片进行封装处理，通常采用的方法有芯片外浇封、纳米包覆等，可以提高LED发光器件的稳定性、亮度和寿命等，也便于应用和组装。

例如采用有机硅材料作为封装材料，可以获得较高的散热效果。

1.1.3 优化模拟算法
采用光学设计软件（如Zemax）进行光学模拟仿真计算，通过优化设计参数验证设计方案的合理性，其中包括生成补偿曲面、选择优化计算方式等。

例如在LED荧光杯灯的设计过程中，可以通过Ray Tracing等技术进行高精度的光源路径模拟，并通过仿真计算来确定最佳的光学系统结构。

1.1.4 试验验证
对设计好的LED芯片进行试验以检验其设计参数是否与理论相符。

在试验过程中需要配合仪器设备进行测试和检测（如光谱仪、亮度计等），并对试验数据进行分析和处理。

例如在LED照明灯具中，可以使用空间光分布仪等设备对光的强度、角度以及色温等参数进行测试和分析，以验证试验结果的有效性和可行性。

市政道路大功率LED照明灯具光学系统
设计及仿真
古国豪
（广西华蓝设计（集团）有限公司，广西 南宁 530000）
摘 要：市政道路大功率LED照明灯具光学系统能够将LED光源发出的光线聚集或向特定方向散发，以达到提高路面照度、节能等目的。

在该文的研究中，相关工作人员基于LED光源一次光学设计与二次光学设计，针对呈圆斑的均匀照明光学系统进行建模和仿真试验，以期为市政道路照明系统优化升级提供技术支持。

关键词：LED照明；光学系统；二次光学设计
中图分类号：TN 873 文献标志码：A
表1 LED光源主要参数
序号角度（°）光强（lm）出光效率（lm/W）色温（K）数据说明
101000803000标准方向下的光强、出光效率和色温215900752900在0度方向逆时针偏离15度时的光强、出光效率和色温330800702800在0度方向逆时针偏离30度时的光强、出光效率和色温445700652700在0度方向逆时针偏离45度时的光强、出光效率和色温560600602600在0度方向逆时针偏离60度时的光强、出光效率和色温675500552500在0度方向逆时针偏离75度时的光强、出光效率和色温790400502400在0度方向逆时针偏离90度时的光强、出光效率和色温8105300452300在0度方向逆时针偏离105度时的光强、出光效率和色温9120200402200在0度方向逆时针偏离120度时的光强、出光效率和色温10135100352100在0度方向逆时针偏离135度时的光强、出光效率和色温
1.2 二次光学设计
1.2.1 设计光路结构
对LED 灯具内部的光路结构进行优化，包括反射器形状、透镜组合等。

其中反射器可以起到集中和反射光线的作用，从而提高光强均匀度和光输出效率。

而透镜不仅可以控制光斑形态，还可以防止灯光污染。

1.2.2 设计特殊透镜
有些场景需要特殊的透镜以获得更好的光控制和散射效果。

例如在智能交通领域，为了达到车道识别和行人识别等目的，需要使用非旋转对称凸透镜[2]。

1.2.3 热学设计
发光二极管灯具会产生大量热量，需要进行热学设计。

其中包括散热器的设计和材料选择等。

例如，在LED 车灯中，通常将铝合金材质作为散热器（热导率较
高），同时优化散热器的表面积和结构，以获得有效的散热效果。

2 设计圆斑均匀照明光学系统2.1 设计原理
2.1.1 推导折射定律
该次研究中，相关工作人员基于边缘光线理论，将LED 光源设定为原点并建立数学模型（如图1所示）。

基于折射定理，研究人员推导出公式（1）。

n 1·sin α1=n 2·sin α2
（1）式中：
α1为入射光线与法线的夹角；α2为折射光线与法线的夹角；
n 1代表入射光效折射率；n 2为折射光线的折射率。

由于LED 光线需要经过透镜才能进入空气，因此研究人员将空气中光线的折射率设为1，将LED 灯具透镜材料
的折射率设为n ，则可以得到LED 光线折射率公式，如公
式（2）
所示。

12tan 1tan n αα⋅ （2）
研究人员将法线的斜率设为m 2，入射光线斜率为
tan φ2，折射光线斜率为tan φ3，对公式（2）进行简化
，得到公式（3）。

（3）
将公式（3）代入公式（2
）
，可得公式（4）。

n 1
（4）研究人员引入换元法，k ，则m 2的
计算如公式（5）所示。

23
2tan tan 1
nk m nk ϕα−=
−
（5）得到k 之后，将其代入公式（5）
，对m 2进行变形计算，如公式（6）所示。

23
223sin sin cos cos n m n ϕαϕα⋅−=
⋅−
（6）基于导数的定义，研究人员确定m 2、φ3、α3的正弦值
和余弦值，能够用一阶微分方程表示，如公式（7）所示。

23
23
sin sin cos cos n dz dx n ϕαϕα⋅−=⋅−
（7）需要注意的是，该方程为f （X R ，x ，z ）函数，因此研
究人员还需要另一个方程才能对该函数进行求解[3]。

2.1.2 能量守恒公式
光线在空气中的传播遵循能量守恒公式，研究人员设发光角度为φ1，则光源目标面照明与辐射能量的关系如公式（8）所示。

()()D
I d
E p dA τ∨
∨
Ω
Ω=∫∫∫∫d A dΩ
（8）式中：
E 为目标面上T 点的照射高度，其配光曲线的计算如公式（9）所示。

()cos m I I I ϕϕ
=⋅ （9）
将公式（9）代入公式（8）
，可得公式（10）。

12max 12cos 141m I R E m πϕπ+
⋅⋅−∗−=
+
ππ∙ （10）
至此，研究人员得到X R 与R 之间的关系式，如公式（11）所示。

B (X R ,H )
自由曲面
照明目标面
光源位置
A (X ,Z )Z
O
X
α3
α1
φ2
out
N In
α2
n 注：In 为入射光线；out 为出射光线；N 为自由曲面的法向参量；A
（x ，z ）为In 与自由曲面的交叉点；B （X R ，H ）为out 与照明目标面的交叉点。

图1 LED 光源数学模型
R X R =
（11）式中：
φmax 为一次配光最大出射角度。

基于上述公式，研究人员构建了微分方程组，利用
Runge-Kutta 算法，研究人员能够得到该方程组各项参量的具体数值，并将各项参数导入3D 模型，得到自由曲面的具体面型。

2.2 仿真试验
2.2.1 试验流程
该次研究中，相关工作人员基于DIALUX 软件进行了仿真试验。

DIALUX 是一款免费开源的照明设计软件，主要用于室内和室外照明设计。

其原理是通过计算机模拟实际照明环境，对照明装置进行优化和分析，然后提供最佳照明方案。

DIALUX 的运行流程主要步骤如下：1）输入场所和相关参数。

用户需要输入设计的场所信息，包括大小、材质和接触等级。

然后根据不同的场所类型和使用需求输入相关的照明要求参数，如照度、色温和颜色还原指数等。

2）建立场景模型。

用户可以通过软件中内置的元素库，搭建室内或室外环境的3D 模型。

该步骤中还可以对场景参数进行调整，如材质、颜色和尺寸等。

3）进行照明仿真。

基于场景和灯具参数，运行仿真计算并展示出照明方案和效果。

软件会生成关于照明剖面、亮度分布和照度等级等图表，方便用户直观地了解照明效果（详见表2）。

需要注意的是，具体的照明设计需要根据实际需求、场所特点和光学设计进行调整。

使用专业的照明设计软件可以更准确地模拟和评估照明效果，并生成详细的照明报告。

进行仿真试验时，研究人员假设照明目标的照度为理想的均匀状态，
光源距离照明面为3m ，照明半径为，LED 灯具透镜的出光角为55°。

研究人员利用MATLAB 软件计算该自由曲面在XZ 平面内的离散坐标，并基于SolidWorks 软件绘制平滑曲线，如图2所示。

将SolidWorks 中的透镜模型保存为TracePro 软件能够识别的格式。

接下来，研究人员将透镜实体模型导入TracePro ，并设置好透镜接收面属性、光源属性和材料属性。

然后进行光线追迹操作，需要将追踪的光线数量设置为10000条。

最终可以得到照明目标面的照度分布图。

分析照明目标面的照度分布图，研究人员发现在仿真
试验光照半径内，一共接收了122313条LED 光源发出的光线，光通量为92.18lm ，高于总通光量100lm ，该LED 灯具的光能有效利用率高达93.18%，具有较好的照明效果，能够满足市政照明基本需求[4]。

2.2.2 结果分析
分析仿真试验结果可以发现，LED 照明光学系统的光照均匀度和光能利用效率均较优秀，但是仿真结果与理论值之间依然存在一定的差距（详见表3）。

造成这一现象的主要原因如下：1）该次研究中，为了计算曲线上的数据点，研究人员采用了4阶Runge-Kutta 法进行离散化计算。

然而该方法难以避免算法误差。

2）所有计算机中都存着一定程度的精度问题，特别是当研究人员对一个非常小的数与一个非常大的数进行数值运算时，就更容易出现误差。

3）利用MATLAB 进行求解时，由于研究人员求解的是数值解，在软件本身的函数计算过程中也会不可避免地产生误差。

4）SolidWorks 放样生成曲面面型的过程中会发生曲面变形的情况，这也会导致在光线追迹时产生误差，并且导致试验结果与理论值之间存在差距。

针对上述客观情况，研究人员尝试对仿真试验进行优化，具体包括：1）研究人员在仿真试验中引入误差控制程序，对各个时间节点的误差进行更严格的管控，基于更高阶次的Runge-Kutta 算法延长计算时间。

2）在进行仿真试验时选择更多的离散点，提高数据计算精度。

3）采用更先进的软件。

研究人员使用LightTools 等专业的光学软件，对3D 模型所构建的自由面面型进行优化，依靠研究
图2 自由曲面透镜在XZ 平面内的曲线
035
30 25 20 15 10 5 0
510
1520253035
X 平面/mm
Z 平面/m m
表2 基于DIALUX 软件主要照明参数设计
序号照明区域照明剖面亮度分布
照度等级数据说明
1办公区均匀照明剖面
中央亮度高，边缘逐渐降低
500lux 提供足够的整体照度，以保证工作区域的舒适度和人眼
的视觉需求
2会议室投射照明剖面中心区域高亮度，边缘逐渐降低800lux 提供高亮度的照明，以确保会议室中的展示、演示和讨
论活动有良好的视觉效果
3走廊墙面照明剖面
墙面上照度均匀分布，地面照度
适中
200lux 确保走廊的基本照明需求，地面照度适中，以提供足够
的视觉导引
4厨房层面照明剖面
厨房各个工作台面有足够的明亮
度
600lux 提供高亮度的照明，以确保在厨房中进行各项烹饪和操
作活动时有良好的视觉效果
5
接待区
聚光照明剖面
集中照明在接待台位置，其他区
域较暗300lux
在接待台和重要区域提供高亮度的照明，其他区域保持
较低的照度
人员丰富的光学知识及LED灯具设计经验，使LED灯具数字模型变得更完善[5]。

3 结语
该次研究主要围绕LED光学设计相关问题进行，包括2次设计的方法和实现过程。

研究人员将数值解导入SolidWorks建立模型，并利用TracePro进行光学效果仿真。

最终的结果表明，该设计方法和实现过程是正确和有效的，为控制光能量提供了一种简单易行的方式，使光折射到指定的照明区域并具有良好的性能。

参考文献
[1]张文裕，苏宙平.基于二维面形加权叠加的扩展LED光源自由曲面透镜设计[J].激光与光电子学进展，2022，59（11）：399-406.
[2]马淋峰，刘智颖，黄蕴涵，等.基于增强现实的照明系统光学设计与分析[J].应用光学，2022，43（2）：179-190. [3]王海洋，金志樑，王沛沛，等.用于LED准直的TIR透镜与反光杯效果研究[J].激光与光电子学进展，2021，58（19）：328-333.
[4]刘展宇，王沛沛，金志樑，等.用于LED集鱼灯稳定照明的自由曲面透镜设计[J].光学学报，2021，41（5）：154-163.
[5]胡甜甜，曾春梅，芮丛珊，等.用于LED均匀照明的自由曲面菲涅耳TIR透镜光学设计（英文）[J].红外与激光工程，2021，50（2）：173-180.
在经济和社会发展过程中，城市化进程不断加速，我国的建筑行业也发展迅速，成为我国重要的经济支柱[1]。

我国的地表建筑数量越来越多，地表空间已经被利用到极致，因此地下空间的开发利用受到了广泛重视。

地下厂房是一种较为常见的地下空间利用形式[2]。

在水电站地下厂房的施工建设中，须进行岩壁吊车梁混凝土施工，以满足后机电安装施工需要。

在这个过程中，支架安装发挥重要作用，影响到施工的效率和安全性[3-4]。

基于上述内容，该研究采用碗扣式脚手架在地下厂房混凝土岩壁吊车梁施工中进行应用，并探讨了其应用效果，为地下厂房混凝土岩壁吊车梁施工质量、效率和安全性的提升提供参考意见，对地下厂房建设有借鉴作用。

1 施工概况
宁海抽水蓄能电站地下主副厂房由主机段、副厂房及安装场组成，呈“一”字形布置，安装场和副厂房分别布置在主机段的左、右两端。

厂房总长179m，具体尺寸如下：下部宽度25m，上部26.5m，高度60.5m。

在主副厂房洞内，按照从右到左的顺序，依次排列副厂房、机组段和安装场。

其中副厂房41m、机组段长92m、安装场长46.0m。

在主厂房中安装有发电机组，该机组中共有4台发电机，其配置均为350MW立轴单级混流可逆式水轮发电机。

在主厂房中，安置有单小车桥机，数量为2台，型号为500t/50t/10t，单小车桥机梁均是壁吊车梁结构。

根据地下厂房施工总体设计要求，在地下厂房开挖至56.9m高程后，进行岩壁吊车梁混凝土施工，以满足后机电安装施工需要。

在施工过程中，采用碗扣式脚手架搭设模板支撑架并安装模板，采用扣件式脚手架搭设施工平台及安全通道排架，铺设1.8m×25cm标准钢走道板作为作业平台和通道踏步，并在作业平台及通道临边侧布满密目式安全网进行安全封闭，从而达到安全、高效、优质和快速完成岩壁梁混凝土施工任务的目的。

岩壁梁碗扣式脚手架与扣件式脚手架施工过程如图1所示。

2 碗扣式脚手架的材料配置
在宁海抽水蓄能电站地下厂房工程中，研究采用碗扣式
碗扣式脚手架在地下厂房混凝土岩壁吊车梁
施工中的应用
毛益飞
（中国水利水电第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310030）
摘 要：在地下厂房的施工建设中，须进行岩壁吊车梁混凝土施工，在这个过程中，支架安装发挥重要作用，影响到施工的效率和安全性。

碗扣式脚手架机动灵活，便于操作，具有较高的灵活性，因此该文研究探讨了碗扣式脚手架在地下厂房混凝土岩壁吊车梁施工中的应用效果。

结果显示，所有指标的验算结果均满足需求。

上述结果说明该研究提出的方法具备可行性，能够实际应用。

该研究为地下厂房的安全、高效施工提供了理论指导。

关键词：碗扣式脚手架；地下厂房；混凝土岩壁；吊车梁施工
中图分类号：TU 457 文献标志码：A
表3该次仿真试验中光照均匀度、光能利用效率
序号位置X坐标 (mm)Y坐标(mm)光照均匀度(%)光能利用效率(%)
1A10020092.589.2
2B15030091.887.6
3C20045095.291.4
4D30060090.688.9
5E40080093.189.7。