本文探讨了LED自由曲面透镜的设计方法及其在道路照明中实现光强分布均匀性的应用价值。通过优化透镜结构以提升路面照明效果和能效，为城市夜间交通安全提供支持。
### 道路均匀照明的LED自由曲面透镜设计
#### 摘要与背景
随着LED技术的发展，因其具有长寿命、节能环保等特点，在道路照明领域的应用日益广泛，并逐渐替代传统的高压钠灯。然而，由于LED光源本身的发光特性较为特殊，如果不加以适当的光学设计，则直接照射在地面上的光线可能不均匀，从而影响道路照明的质量。因此，如何设计一种能够实现道路均匀照明的LED透镜成为了一个重要的研究课题。
#### 关键技术与方法
本段落提出了一种基于非成像光学原理的LED自由曲面透镜设计方案，旨在解决道路照明中光线分布不均的问题。具体的技术路径包括以下几个关键步骤：
1. **微分几何原理的应用**：利用微分几何原理建立自由曲面透镜形状的一阶拟线性双曲型偏微分方程。这一方程是描述透镜表面形状的关键数学工具。
2. **数值求解**：在MATLAB软件中对上述偏微分方程进行数值求解，得到透镜表面的具体数据。这是设计透镜的重要步骤之一，通过精确计算确保透镜能够实现所需的光学效果。
3. **三维建模与验证**：将数值求解得到的数据导入到SolidWorks中，构建出具体的透镜模型。这一步骤能够直观地展示透镜的设计成果，并为进一步的光学性能分析提供基础。
4. **光线追踪模拟**：使用TracePro软件对所设计的透镜进行光线追踪模拟，评估其实际照明效果。光线追踪是一种有效的物理模拟方法，可以帮助研究人员了解光线经过透镜后的分布情况。
5. **扩展光源配光验证**：进一步测试透镜在面对扩展光源时的照明效果，验证其是否能够在不同的光源条件下保持良好的照明均匀度。
6. **照明效果模拟**：利用DIALux软件模拟由这种透镜组成的路灯系统的整体照明效果，确保其能够满足国家道路照明标准的要求。
#### 主要研究成果
根据上述方法设计出的LED自由曲面透镜能够将LED光源的朗伯分布转化为适合道路照明所需的蝙蝠翼分布。在10米距离的目标面上，整体照明均匀度达到85%以上，能量利用率为89.2%。即使在处理扩展光源的情况下，光学系统依然能够保持良好的照明效果，有效照明区域内照度均匀度高于80%。通过DIALux模拟的5×10式模组路灯系统的照明效果显示，路面照度均匀度达到了0.83，完全符合国家标准。
#### 结论
本研究提出的方法有效地解决了道路照明中光线分布不均的问题，对于提高LED道路照明系统的整体性能具有重要意义。通过精确的数学建模与先进的光学仿真技术相结合，实现了道路照明的高效与均匀，展现了LED光源在道路照明领域中的巨大潜力。未来的研究可以进一步探索更多复杂的光源配置以及更广泛的照明应用场景，以满足不同环境下的照明需求。
5星
