Compétences en matière d'optique secondaire des lampes de rue LED
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Dans la quête mondiale de la conservation de l'énergie, de la réduction des émissions et du développement urbain durable, les lampadaires à LED ont progressivement remplacé les lampes traditionnelles au sodium haute pression et sont devenus le cœur des systèmes d'éclairage routier urbain. Grâce à leurs avantages en termes de rendement lumineux élevé, de longue durée de vie, de bonne gradation et de protection de l'environnement, les LED ont apporté une mise à niveau révolutionnaire à l'éclairage routier. Cependant, la lumière émise par les puces LED est naturellement diffusée avec une répartition inégale et de grands angles de faisceau. Sans contrôle optique efficace, il est difficile de répondre aux exigences strictes de l'éclairage routier en matière d'uniformité de l'éclairement, de contrôle de l'éblouissement et d'efficacité de l'utilisation de la lumière. La conception optique secondaire, en tant que maillon clé de l'optimisation des performances des lampadaires à LED, est devenue l'objectif principal de l'amélioration de la qualité de l'éclairage et de la réalisation des objectifs de conservation de l'énergie.
L'optique secondaire fait référence au processus de redistribution et de contrôle de la lumière émise par les LED grâce à des composants optiques externes (tels que des lentilles, des réflecteurs, etc.) sur la base de l'optique primaire (conception d'encapsulation pour maximiser l'extraction de la lumière des puces). Son objectif principal est de concentrer la lumière sur la zone d'éclairage requise, de réduire la diffusion de la lumière non valide, d'optimiser les courbes de distribution de la lumière et, finalement, d'atteindre l'équilibre entre une qualité d'éclairage élevée et une faible consommation d'énergie. Cet article détaillera les compétences clés de l'adaptation de l'optique secondaire des lampadaires à LED, couvrant la sélection des composants, la conception des schémas, l'adaptation aux scènes et la résolution des problèmes courants, afin de fournir des conseils pratiques pour les applications d'ingénierie et l'optimisation des produits.
1. Clarifier les exigences de base : la prémisse de l'adaptation de l'optique secondaire
Avant de procéder à l'adaptation de l'optique secondaire, il est nécessaire de clarifier les exigences de base de l'éclairage routier, ce qui détermine directement l'orientation de la conception optique. Les indicateurs clés à prendre en compte comprennent les aspects suivants :
Éclairement et uniformité : selon le niveau de la route (route principale, route secondaire, route de desserte, trottoir), se référer aux normes internationales (CIE) et aux spécifications locales (telles que CJJ 45-2015) pour déterminer l'éclairement moyen et l'uniformité requis (généralement le rapport entre l'éclairement minimum et l'éclairement moyen U1 ≥ 0,4). Par exemple, les routes principales urbaines nécessitent un éclairement moyen plus élevé (20 à 30 lx) et une uniformité pour assurer la sécurité de la conduite, tandis que les trottoirs peuvent réduire de manière appropriée la norme (5 à 10 lx).
Contrôle de l'éblouissement : l'éblouissement des lampadaires affectera gravement le confort visuel des conducteurs et des piétons, et peut même entraîner des risques potentiels pour la sécurité. Il est nécessaire de contrôler l'intensité lumineuse dans les directions horizontale et ascendante grâce à l'optique secondaire, et de sélectionner les types de coupure appropriés (coupure totale, semi-coupure, non-coupure) en fonction de la scène.
Efficacité de l'utilisation de la lumière : l'objectif principal de l'optique secondaire est de réduire la perte de lumière. La lumière émise par les LED doit être concentrée autant que possible sur la chaussée, en évitant la diffusion vers le ciel ou les zones non pertinentes environnantes, afin d'améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'énergie tout en assurant l'effet d'éclairage.
Adaptabilité environnementale : des facteurs tels que la largeur de la route, la hauteur du lampadaire , l'espacement d'installation, la réflectivité de la chaussée et les bâtiments environnants doivent être pris en compte. Par exemple, les anciennes voies urbaines étroites et les larges routes principales urbaines nécessitent des schémas de distribution de la lumière complètement différents.
2. Sélection rationnelle des composants optiques secondaires : la base de l'effet d'adaptation
La sélection des composants optiques secondaires (lentilles et réflecteurs) affecte directement l'effet d'adaptation. Différents composants ont leurs propres caractéristiques et scénarios applicables, et il est nécessaire de les sélectionner et de les combiner en fonction des besoins réels.
2.1 Lentilles : le principal choix pour un contrôle précis de la lumière
Les lentilles sont les composants optiques secondaires les plus couramment utilisés dans les lampadaires à LED, qui réalisent la redistribution de la lumière par réfraction. Selon la conception structurelle, elles peuvent être divisées en les types suivants :
Lentilles à réflexion interne totale (TIR) : Basées sur le principe de la réflexion interne totale, lorsque la lumière est émise d'un milieu optiquement plus dense vers un milieu optiquement moins dense et que l'angle d'incidence est supérieur à l'angle critique, une réflexion interne totale se produit, ce qui peut collecter et rediriger efficacement la lumière diffusée des LED. Ses avantages sont un rendement lumineux élevé (jusqu'à 90 % ou plus), une distribution uniforme de la lumière et une structure compacte. Il convient aux lampadaires à LED de forte puissance, et peut ajuster l'angle du faisceau dans les ±30° pour répondre aux besoins de base de la distribution de la lumière.
Lentilles à surface de forme libre : Il s'agit d'un composant optique de haute précision conçu avec une distribution de la lumière rectangulaire asymétrique dans les axes X et Y. Il peut réaliser une distribution de la lumière personnalisée en fonction des besoins spécifiques de la route. Par exemple, il peut produire une distribution uniforme de la lumière de ±60° dans l'axe X (répondant aux exigences d'éclairage de la direction de la longueur de la route) et ±30° dans l'axe Y, formant la distribution de la lumière en "aile de chauve-souris" adaptée à l'éclairage routier. Ses avantages sont une forte personnalisation, une adaptation parfaite à différentes largeurs et formes de routes, et un bon effet de contrôle de l'éblouissement. C'est le premier choix pour les lampadaires à LED haut de gamme et les sections de routes spéciales (telles que les rampes et les intersections). La conception des lentilles à surface de forme libre adopte généralement des méthodes telles que la méthode des équations différentielles et l'optimisation multi-paramètres pour faire correspondre la distribution de la lumière de la source lumineuse à la surface d'éclairage cible.
Lentilles matricielles : Composées de plusieurs petites lentilles, elles conviennent aux lampadaires à LED avec une disposition matricielle multi-puces. Chaque petite lentille correspond à une puce LED, ce qui peut réaliser un contrôle indépendant de la lumière de chaque puce, puis s'intégrer pour former la distribution globale de la lumière requise. Ses avantages sont un réglage flexible de la distribution de la lumière et une bonne uniformité, ce qui peut éviter le problème de la distribution inégale de la lumière causée par l'agencement multi-puces. Il convient aux lampadaires à LED de grande puissance composés de puces LED de 1 W à plusieurs watts en connexion série-parallèle.
Lors de la sélection des lentilles, en plus de prendre en compte l'angle du faisceau et le type de distribution de la lumière, il faut également prêter attention au matériau. Le PC (polycarbonate) et le PMMA (polyméthacrylate de méthyle) sont les matériaux les plus couramment utilisés. Le PC a une bonne résistance aux chocs et aux températures élevées, adapté aux environnements extérieurs difficiles ; le PMMA a une transmission de la lumière plus élevée (> 92 %), mais une faible résistance aux chocs, adapté aux environnements d'installation relativement stables.
2.2 Réflecteurs : rôle supplémentaire pour l'optimisation de la distribution de la lumière
Les réflecteurs réalisent la redistribution de la lumière par réflexion, qui est souvent utilisée en combinaison avec des lentilles pour compenser les défauts de la distribution de la lumière à lentille unique. Selon la forme de la surface, ils peuvent être divisés en réflecteurs paraboliques, réflecteurs elliptiques et réflecteurs irréguliers :
Réflecteurs paraboliques : Ils peuvent converger la lumière diffusée des LED en lumière parallèle, ce qui a une forte capacité d'irradiation à longue distance. Il convient aux sections de routes qui nécessitent un éclairage à longue distance (telles que les routes principales urbaines et les autoroutes), mais l'uniformité de la distribution de la lumière est relativement faible, il est donc généralement utilisé en combinaison avec des lentilles pour équilibrer la distance d'irradiation et l'uniformité.
Réflecteurs irréguliers : Conçus en fonction de la courbe de distribution de la lumière requise, ils peuvent réaliser une distribution de la lumière asymétrique et conviennent aux sections de routes avec des besoins d'éclairage spéciaux (tels que les trottoirs adjacents aux routes et les intersections routières). Ils peuvent collecter efficacement la lumière diffusée sur le côté et la rediriger vers la zone cible, améliorant ainsi l'efficacité de l'utilisation de la lumière.
La clé de la sélection des réflecteurs est l'efficacité de la réflexion. Il est recommandé de choisir des matériaux à réflectivité élevée (tels que l'alliage d'aluminium avec traitement anodisé, réflectivité jusqu'à 85 % ou plus) pour réduire la perte de lumière. En même temps, il faut prêter attention à la douceur de la surface pour éviter une distribution inégale de la lumière causée par des surfaces rugueuses.
3. Adaptation scientifique des schémas de distribution de la lumière : s'adapter à différents scénarios routiers
Le cœur de l'adaptation de l'optique secondaire est de formuler un schéma de distribution de la lumière scientifique en fonction du scénario routier. La clé réside dans l'adaptation du type de distribution de la lumière (TYPE1/TYPE2/TYPE3) et du type de coupure, et la combinaison raisonnable de la lentille et du réflecteur pour obtenir l'effet d'éclairage optimal.
3.1 Adaptation en fonction de la largeur de la route et de la hauteur du lampadaire
La classification internationale générale de la distribution de la lumière TYPE1/TYPE2/TYPE3 est la base principale de l'adaptation, qui est déterminée par le rapport "largeur d'irradiation sur hauteur du lampadaire" :
Routes étroites (trottoirs, anciennes voies urbaines) : choisir une adaptation de la distribution de la lumière TYPE1 avec un type de coupure totale. La distribution de la lumière TYPE1 est symétrique, la largeur d'irradiation étant approximativement égale à la hauteur du lampadaire (par exemple, une lampe de 10 mètres de haut irradie 10 mètres de large), et la lumière est concentrée directement en dessous, sans se répandre des deux côtés. L'adaptation avec des lentilles ou des réflecteurs à coupure totale peut contrôler strictement la lumière à moins de 65° vers le bas, en évitant l'éblouissement et la pollution lumineuse pour les résidents à proximité, ce qui correspond aux besoins d'éclairage des routes étroites et des zones résidentielles.
Routes de largeur moyenne (voies non motorisées, routes principales de la communauté) : choisir une adaptation de la distribution de la lumière TYPE2 avec un type de semi-coupure. La distribution de la lumière TYPE2 a une plage d'irradiation légèrement plus large, couvrant 1,5 à 2 fois la hauteur du lampadaire (par exemple, une lampe de 10 mètres de haut irradie 15 à 20 mètres de large), avec une lumière légèrement décalée d'un côté, équilibrant l'uniformité et la zone de couverture. Le type de semi-coupure permet une petite quantité de lumière horizontale, avec une intensité lumineuse à 90° direction ≤50 cd/1 000 lm et 80° direction ≤100 cd/1 000 lm, ce qui convient à l'éclairage quotidien des routes de largeur moyenne et peut éviter d'affecter le repos des résidents environnants tout en assurant l'effet d'éclairage.
Routes larges (routes principales urbaines, parkings) : choisir une adaptation de la distribution de la lumière TYPE3 avec un type de semi-coupure. La distribution de la lumière TYPE3 a la plage d'irradiation la plus large, couvrant environ 2,75 fois la hauteur du lampadaire (par exemple, une lampe de 10 mètres de haut irradie environ 27,5 mètres de large), avec une forte capacité de couverture horizontale, adaptée à l'éclairage continu à longue distance. L'adaptation avec des lentilles à surface de forme libre et des réflecteurs paraboliques peut réaliser une irradiation à longue distance et une distribution uniforme de la lumière, répondre aux besoins d'éclairage du trafic des véhicules à moteur, et en même temps contrôler l'éblouissement grâce à une conception de semi-coupure.
3.2 Adaptation en fonction de la courbe de distribution de la lumière
La courbe de distribution de la lumière des lampadaires à LED détermine directement l'effet d'éclairage. La courbe de distribution de la lumière la plus appropriée pour l'éclairage routier est la courbe en "aile de chauve-souris", qui a une intensité lumineuse élevée au milieu et une faible intensité lumineuse sur les bords, en évitant une luminosité excessive au centre et les zones sombres sur les bords, et en améliorant efficacement l'uniformité de l'éclairement de la chaussée. Dans le processus d'adaptation de l'optique secondaire, les points suivants doivent être notés :
Pour les routes qui nécessitent un éclairage uniforme (telles que les routes principales urbaines), choisissez des lentilles ou des réflecteurs qui peuvent générer une distribution de la lumière en "aile de chauve-souris" pour garantir que la différence d'éclairement entre le centre et le bord de la route se situe dans une plage raisonnable ;
Pour les sections de routes spéciales (telles que les intersections routières et les rampes), adoptez une conception de distribution de la lumière asymétrique pour concentrer la lumière sur la zone clé (telle que le centre de l'intersection) et éviter le gaspillage de lumière ;
Utilisez un logiciel de simulation optique professionnel (tel que DIALux, ASAP) pour simuler l'effet de distribution de la lumière à l'avance, ajustez les paramètres des lentilles et des réflecteurs en fonction des résultats de la simulation et assurez-vous que la courbe de distribution de la lumière répond aux exigences de conception.
3.3 Adaptation aux caractéristiques de la source lumineuse LED
L'adaptation de l'optique secondaire doit être étroitement combinée aux caractéristiques des sources lumineuses LED (angle lumineux, flux lumineux, température de couleur, etc.) pour éviter une inadéquation entre la source lumineuse et les composants optiques, ce qui entraînerait une réduction de l'efficacité de l'utilisation de la lumière et un mauvais effet d'éclairage :
Pour les LED avec un grand angle lumineux (120°-140°), des lentilles TIR ou des lentilles à surface de forme libre doivent être sélectionnées pour collecter la lumière diffusée et améliorer l'efficacité de l'utilisation de la lumière ; pour les LED avec un petit angle lumineux, des réflecteurs peuvent être utilisés pour élargir la plage d'irradiation ;
La température de couleur des lampadaires à LED est généralement de 3 000 K à 5 000 K. Pour les zones résidentielles et les trottoirs, une lumière blanche chaude (3 000 K à 4 000 K) est recommandée pour réduire l'éblouissement et améliorer le confort visuel ; pour les routes principales urbaines et les autoroutes, une lumière blanche neutre (4 000 K à 5 000 K) est recommandée pour améliorer la reconnaissance des panneaux routiers et des obstacles ;
Pour les lampadaires à LED multi-puces, des lentilles matricielles doivent être sélectionnées pour réaliser un contrôle indépendant de la lumière de chaque puce, éviter une distribution inégale de la lumière causée par l'interférence mutuelle entre les puces et assurer l'uniformité globale de l'éclairage.
4. Éviter les erreurs d'adaptation courantes : assurer des performances stables
Dans le processus réel d'adaptation de l'optique secondaire, de nombreux ingénieurs et concepteurs commettront des erreurs, ce qui affectera l'effet d'éclairage et la durée de vie des lampadaires à LED. Les erreurs courantes et les méthodes d'évitement sont les suivantes :
Poursuivre aveuglément un petit angle de faisceau : Certaines personnes pensent qu'un angle de faisceau plus petit peut améliorer la distance d'irradiation, mais ignorent l'uniformité. Pour les routes larges, un angle de faisceau trop petit entraînera une plage d'irradiation étroite et des zones sombres entre les lampadaires adjacents ; pour les routes étroites, un angle de faisceau trop grand provoquera un gaspillage de lumière et un éblouissement. L'angle du faisceau doit être sélectionné en fonction de la largeur de la route et de la hauteur du lampadaire, généralement de 60° à 120°.
Ignorer la combinaison de lentilles et de réflecteurs : L'utilisation aveugle d'une seule lentille ou d'un seul réflecteur aura des limites. Par exemple, une seule lentille a une faible capacité d'irradiation à longue distance, et un seul réflecteur a une faible uniformité. La combinaison des deux peut se compléter et atteindre l'équilibre entre la distance d'irradiation et l'uniformité.
Négliger le contrôle de l'éblouissement : Se concentrer uniquement sur l'éclairement et ignorer le contrôle de l'éblouissement affectera le confort visuel des conducteurs et des piétons. Dans le processus d'adaptation, un type de coupure approprié doit être sélectionné, et la surface des composants optiques doit être traitée (telle qu'un traitement dépoli) pour réduire l'éblouissement.
Ignorer l'influence des facteurs environnementaux : Ne pas tenir compte de la réflectivité de la chaussée, des bâtiments environnants et d'autres facteurs entraînera une incohérence de l'effet d'éclairage réel avec la conception. Par exemple, l'effet de réflexion de la lumière des surfaces de chaussée de couleur claire (réflectivité 0,3-0,4) est meilleur que celui des surfaces de chaussée de couleur foncée, et les paramètres de distribution de la lumière peuvent être ajustés de manière appropriée en fonction de la couleur de la chaussée.
5. Débogage et maintenance après l'installation : assurer un effet d'adaptation stable à long terme
L'adaptation de l'optique secondaire des lampadaires à LED n'est pas un travail ponctuel. Un débogage après l'installation et une maintenance régulière sont nécessaires pour garantir que l'effet d'adaptation reste stable pendant une longue période :
Débogage sur site : Après l'installation des lampadaires, utilisez des luxmètres professionnels pour détecter l'éclairement et l'uniformité de la chaussée, ajustez l'angle d'installation des lampadaires et les paramètres des composants optiques en fonction des résultats de la détection, et assurez-vous que l'effet d'éclairage répond aux exigences de conception. Par exemple, ajustez la longueur du porte-à-faux (0,5 à 1,5 mètres) pour améliorer l'uniformité de l'éclairement des trottoirs, et ajustez l'espacement des lampadaires (généralement 3 à 4 fois la hauteur d'installation) pour éviter les zones sombres.
Nettoyage régulier : La surface des lentilles et des réflecteurs accumulera de la poussière, de la saleté et d'autres impuretés au fil du temps, ce qui réduira la transmission de la lumière et l'efficacité de la réflexion, et affectera l'effet d'adaptation. Il est recommandé de nettoyer régulièrement les composants optiques (tous les 3 à 6 mois) pour garantir leur propreté de surface.
Inspection régulière : Inspectez régulièrement les composants optiques pour détecter les dommages, les déformations, le vieillissement et d'autres phénomènes. Si un problème est détecté, remplacez-les à temps pour éviter d'affecter l'effet d'éclairage global. En même temps, vérifiez la source de lumière LED pour la dégradation de la lumière (remplacez-la lorsque la dégradation de la lumière est supérieure à 30 %) pour assurer la stabilité de l'adaptation entre la source lumineuse et les composants optiques.
Conclusion
L'adaptation de l'optique secondaire des lampadaires à LED est un projet systématique qui intègre la conception optique, la sélection des composants, l'adaptation aux scènes et la post-maintenance. Son objectif principal est de prendre les exigences d'éclairage routier comme guide, de sélectionner les composants optiques appropriés, de formuler des schémas de distribution de la lumière scientifiques et de réaliser l'équilibre entre une qualité d'éclairage élevée, une efficacité d'utilisation de l'énergie élevée et un faible éblouissement. Avec le développement continu de la technologie LED et de la technologie de conception optique, la technologie d'adaptation de l'optique secondaire des lampadaires à LED sera plus mature et intelligente, comme les systèmes optiques adaptatifs qui peuvent ajuster automatiquement la distribution de la lumière en fonction des conditions de circulation en temps réel.
Pour les éditeurs de sites Web, les ingénieurs et les praticiens concernés de Google, la maîtrise des compétences d'adaptation de l'optique secondaire ci-dessus peut non seulement améliorer la qualité de l'éclairage des lampadaires à LED, réduire la consommation d'énergie et les coûts de maintenance, mais aussi promouvoir le développement sain de l'industrie de l'éclairage LED et contribuer à la construction de villes économes en énergie et respectueuses de l'environnement. À l'avenir, nous devrions continuer à prêter attention à l'innovation des composants optiques et des méthodes de conception, et optimiser en permanence le schéma d'adaptation de l'optique secondaire pour répondre aux besoins d'éclairage routier de plus en plus diversifiés.
