المهارات المتطابقة للضوء الشارعي LED

في السعي العالمي لتوفير الطاقة، والحد من الانبعاثات والتنمية الحضرية المستدامة،مصابيح الشوارع LEDاستبدلت ببطء مصابيح الصوديوم عالية الضغط التقليدية وأصبحت جوهر أنظمة إضاءة الطرق الحضرية.قابلية التخفيف الجيدة وحماية البيئة، LEDs جلبت تحديثا ثورياإضاءة الطرقومع ذلك، فإن الضوء المنبعث من رقائق LED يتم تشتيتها بشكل طبيعي مع توزيع غير متساوي وزوايا شعاع كبيرة.من الصعب تلبية المتطلبات الصارمة لإضاءة الطرق لتوحيد الإضاءةتصميم البصريات الثانوية، باعتبارها حلقة رئيسية في تحسين أداء مصابيح الشوارع LED،أصبحت محور التركيز الأساسي لتحسين جودة الإضاءة وتحقيق أهداف توفير الطاقة.

تشير البصرية الثانوية إلى عملية إعادة توزيع ومراقبة الضوء المنبعث من مصابيح LED من خلال المكونات البصرية الخارجية (مثل العدسات والعاكسات ، إلخ).) على أساس البصريات الأساسية (تصميم التغطية لتحقيق أقصى قدر من استخراج الضوء من الشرائح)الغرض الرئيسي منه هو تركيز الضوء على منطقة الإضاءة المطلوبة، والحد من انتشار الضوء غير صالح، وتحسين منحنيات توزيع الضوء،وأخيرا تحقيق التوازن بين جودة عالية من الإضاءة وانخفاض استهلاك الطاقةستقوم هذه المقالة بتفصيل المهارات الرئيسية للمطابقة في البصريات الثانوية لمصابيح الشوارع LED ، والتي تغطي اختيار المكونات وتصميم المخططات وتكييف المشهد وحل المشاكل الشائعة ،لتوفير إرشادات عملية لتطبيقات الهندسة وتحسين المنتجات.

قبل إجراء مطابقة البصريات الثانوية ، من الضروري توضيح المتطلبات الأساسية لإضاءة الطرق ، والتي تحدد مباشرة اتجاه التصميم البصري.تشمل المؤشرات الرئيسية التي يجب التركيز عليها الجوانب التالية:

• الإضاءة والتناسق: حسب درجة الطريق (طريق الشريان، طريق الشريان الثانوي، طريق الفرع، الرصيف) refer to international standards (CIE) and local specifications (such as CJJ 45-2015) to determine the required average illuminance and uniformity (usually the ratio of minimum illuminance to average illuminance U1 ≥ 0على سبيل المثال، الطرق الشريطية الحضرية تتطلب أعلى متوسط إضاءة (20-30 لكس) ووحدة لضمان سلامة القيادة، في حين أن الرصيف يمكن أن تقلل من المعيار (5-10 لكس).
• التحكم في الإضاءة: سيؤثر الإضاءة من مصابيح الشوارع بشكل خطير على راحة رؤية السائقين وال المشاة، بل وتسبب مخاطر أمنية محتملة.من الضروري التحكم في شدة الضوء في الاتجاهين الأفقي والصعودي من خلال البصريات الثانوية، واختيار أنواع الحدود المناسبة (الحدود الكاملة، نصف الحدود، غير الحدود) وفقا للمشهد.
• كفاءة استخدام الضوء: الهدف الأساسي للنور الثانوي هو الحد من خسائر الضوء. يجب أن يركز الضوء المنبعث من مصابيح LED على سطح الطريق قدر الإمكان ،تجنب الانتشار في السماء أو المناطق المحيطة غير ذات الصلةلتحسين كفاءة استخدام الطاقة مع ضمان تأثير الإضاءة.
• التكيف مع البيئة: عوامل مثل عرض الطريق، عمود مصباح يجب النظر في الارتفاع، وتباعد التثبيت، وعكس سطح الطريق والمباني المحيطة بها. على سبيل المثال،المسارات الحضرية القديمة الضيقة والطرق الشريطية الحضرية الواسعة تتطلب أنظمة توزيع ضوء مختلفة تمامًا.

اختيار مكونات البصريات الثانوية (العدسات والعاكسات) يؤثر بشكل مباشر على تأثير التطابق.ومن الضروري اختيارها ودمجها وفقا للاحتياجات الفعلية.

العدسات هي المكونات البصرية الثانوية الأكثر شيوعًا في مصابيح الشوارع LED ، والتي تحقق إعادة توزيع الضوء من خلال الانكسار. وفقًا للتصميم الهيكلي ،يمكن تقسيمها إلى الأنواع التالية::

• العدسات ذات الانعكاس الداخلي الكلي: تستند إلى مبدأ الانعكاس الداخلي الكلي،عندما يتم إصدار الضوء من وسيط أكثر كثافة بصريا إلى وسيط نادر بصريا و الزاوية الواقعة أكبر من الزاوية الحرجة، يحدث انعكاس داخلي كامل ، والتي يمكن أن تجمع بفعالية وإعادة توجيه الضوء المنتشر من مصابيح LED. مزاياها هي كفاءة عالية في استخدام الضوء (حتى 90٪ أو أكثر) ،توزيع ضوء موحد وهيكل مضغوط. انها مناسبة للمستوى المتوسطمصابيح الشوارع ذات الطاقة العالية، ويمكن تعديل زاوية شعاع داخل ± 30 ° لتلبية الاحتياجات التوزيع الضوء الأساسية.
• العدسات السطحية الحرة: وهي مكونات بصرية عالية الدقة مصممة بتوزيع ضوء مستطيل غير متماثل في محور X و Y.يمكن أن يدرك توزيع الضوء المخصص وفقًا لاحتياجات الطريق المحددةعلى سبيل المثال ، يمكن أن ينتج توزيع ضوئي موحد من ± 60 درجة في محور X (يتوافق مع متطلبات الإضاءة في اتجاه طول الطريق) و ± 30 درجة في محور Y ،تشكيل توزيع الضوء "جناح الخفافيش" المناسب لإضاءة الطرقمزاياه هي التخصيص القوي، التكيف المثالي مع أبعاد الطرق والأشكال المختلفة، وتأثير جيد في مكافحة الوهج.إنه الاختيار الأول لمصابيح الشوارع LED الراقية ومقاطع الطرق الخاصة (مثل المنحدرات والتقاطعات). The design of free-form surface lenses usually adopts methods such as differential equation method and multi-parameter optimization to match the light distribution of the light source with the target lighting surface.
• العدسات المتسلسلة: تتكون من عدسات صغيرة متعددة ، وهي مناسبة لإضاءة الشوارع LED مع تخطيط مجموعة متعددة الرقائق. كل عدسة صغيرة تتوافق مع رقاقة LED واحدة ،والتي يمكن أن تدرك التحكم في الضوء المستقل لكل رقاقة، ومن ثم تدمج لتشكيل التوزيع الكلي الضوئي المطلوب. مزاياه هي تعديل توزيع الضوء المرن والتكافل الجيد،والتي يمكن أن تتجنب مشكلة التوزيع الضوئي غير المتساوي الناجمة عن ترتيب متعددة الرقائقوهي مناسبة لمصابيح الشوارع ذات الطاقة الكبيرة المكونة من 1 واط إلى عدة واطات من رقائق LED في اتصال متوازي سلسلة المصفوفة.

عند اختيار العدسات، بالإضافة إلى النظر في زاوية الشعاع ونوع توزيع الضوء، يجب إيلاء الاهتمام أيضًا للمادة.البولي كربونات (PC) و PMMA (polymethyl methacrylate) هي المواد الأكثر استخداماًيمتلك PC مقاومة جيدة للصدمات ومقاومة درجات الحرارة العالية ، مناسبة للبيئات الخارجيّة القاسية ؛ يمتلك PMMA انتقالًا للضوء أعلى (> 92٪) ولكن مقاومة ضعف للصدمات ،مناسبة لبيئات التثبيت المستقرة نسبياً.

تدرك العاكسات إعادة توزيع الضوء من خلال الانعكاس ، والذي غالباً ما يستخدم مع العدسات لتعويض عيوب توزيع الضوء على عدسة واحدة. وفقًا لشكل السطح,يمكن تقسيمها إلى عاكسات بارابوليكية وعاكسات بيضاوية وعاكسات غير منتظمة:

• عاكسات بارابوليكية: يمكنها أن تجمع الضوء المشتت من مصابيح LED إلى ضوء مواز، والذي له قدرة قوية على الإشعاع لمسافات طويلة.مناسبة لقطاعات الطرق التي تحتاج إلى إضاءة لمسافات طويلة (مثل الطرق الشريرية الحضرية والطرق السريعة)، ولكن توحيد توزيع الضوء ضعيف نسبيا، لذلك عادة ما تستخدم في تركيبة مع العدسات لتوازن مسافة الإشعاع وتوحيد.
• عاكسات غير منتظمة: مصممة وفقًا لوجهة توزيع الضوء المطلوبة.يمكنها تحقيق توزيع ضوئي غير متماثل وهي مناسبة لقطع الطرق ذات الاحتياجات الخاصة للإضاءة (مثل الرصيف المجاور للطرق وتقاطعات الطرق)يمكنهم بفعالية جمع الضوء المتناثر إلى الجانب وإعادة توجيهه إلى المنطقة المستهدفة ، مما يحسن كفاءة استخدام الضوء.

المفتاح لاختيار العاكسين هو كفاءة العكس. يوصى باختيار المواد ذات الانعكاسية العالية (مثل سبيكة الألومنيوم مع المعالجة بالأنوديز،عكسية تصل إلى 85% أو أكثر) لتقليل خسارة الضوءفي نفس الوقت، يجب إيلاء الاهتمام لسلاسة السطح لتجنب التوزيع غير المتساوي للضوء الناجم عن الأسطح الخام.

جوهر المطابقة البصرية الثانوية هو صياغة مخطط توزيع الضوء العلمي وفقا لسيناريو الطريق.المفتاح يكمن في مطابقة نوع توزيع الضوء (TYPE1/TYPE2/TYPE3) ونوع قطع، ومزج العدسة والانعكاس بشكل معقول لتحقيق تأثير الإضاءة المثالي.

التصنيف الدولي العام لتوزيع الضوء TYPE1/TYPE2/TYPE3 هو الأساس الأساسي للمطابقة، والذي يتم تحديده من خلال نسبة "عرض الإشعاع إلى ارتفاع عمود المصباح":

• الطرق الضيقة (الممرات الجانبية، الممرات الحضرية القديمة): اختر توزيع الضوء TYPE1 الذي يتطابق مع النوع الكامل للقطع. توزيع الضوء TYPE1 متماثل،مع عرض الإشعاع يساوي تقريبًا ارتفاع عمود المصباح (eعلى سبيل المثال، مصباح ارتفاعه 10 أمتار يشع 10 أمتار من العرض) ، ويتم تركيز الضوء مباشرة أسفل، دون انتشار إلى كلا الجانبين.المطابقة مع العدسات الكاملة قطع أو عاكسات يمكن أن تتحكم بدقة الضوء في 65 درجة إلى أسفل، وتجنب البريق والتلوث الضوئي للسكان القريبين، وهو ما يتماشى مع احتياجات الإضاءة للطرق الضيقة والمناطق السكنية.
• الطرق ذات العرض المتوسط (مسارات غير السيارات ، الطرق الرئيسية للمجتمع): اختر توزيع الضوء TYPE2 الذي يتطابق مع النوع شبه المقطوع. توزيع الضوء TYPE2 له نطاق إشعاع أوسع قليلاً ،تغطي 1.5-2 مرات ارتفاع عمود المصباح (على سبيل المثال ، مصباح بطول 10 أمتار يشع 15-20 متر من العرض) ، مع تحريك الضوء قليلا إلى جانب واحد ، وتوازن التكافؤ ومساحة التغطية.النوع نصف قطع يسمح بكمية صغيرة من الضوء الأفقي، مع شدة الضوء عند 90 درجة الاتجاه ≤50cd/1000lm و 80 درجة الاتجاه ≤100cd/1000lm ،والتي مناسبة للإضاءة اليومية للطرق ذات العرض المتوسط ويمكن أن تتجنب التأثير على بقية السكان المحيطين مع ضمان تأثير الإضاءة.
• الطرق الواسعة (الطرق الشريطية الحضرية ، مواقف السيارات): اختر توزيع الضوء TYPE3 الذي يطابق النوع شبه المقطوع. توزيع الضوء TYPE3 لديه أوسع نطاق الإشعاع ، يغطي حوالي 2.75 مرة ارتفاع عمود المصباح (eعلى سبيل المثال ، مصباح ارتفاعه 10 أمتار يشع حوالي 27.5 مترًا في العرض) ، مع قدرة تغطية أفقية قوية ، مناسبة للإضاءة المستمرة لمسافات طويلة.المطابقة مع العدسات السطحية الحرة الشكل والعاكسات البارابولية يمكن أن تحقق الإشعاع لمسافات طويلة وتوزيع الضوء المتساوية، تلبية احتياجات الإضاءة في حركة السيارات، وفي نفس الوقت التحكم في الوهج من خلال تصميم نصف قطع.

منحنى توزيع الضوء لمصابيح الشوارع LED يحدد مباشرة تأثير الإضاءة. المنحنى المناسب لتوزيع الضوء لإضاءة الطرق هو منحنى "جناح الخفافيش" ،والذي يحتوي على كثافة ضوئية عالية في المنتصف وكثافة ضوئية منخفضة في الحواف، وتجنب الوضوح المفرط في الوسط والمناطق المظلمة في الحواف ، وتحسين توحيد إضاءة سطح الطريق بشكل فعال. في عملية مطابقة البصريات الثانوية ،وينبغي ملاحظة النقاط التالية::

• للطرق التي تحتاج إلى إضاءة موحدة (مثل الطرق الشريعية الحضرية)اختيار العدسات أو العاكسات التي يمكن أن تولد "جناح الخفافيش" توزيع الضوء لضمان أن فرق الإضاءة بين وسط وحافة الطريق في نطاق معقول;
• لقطع الطرق الخاصة (مثل تقاطعات الطرق والمنحدرات) ، واعتمد تصميم توزيع الضوء غير المتماثل لتركيز الضوء على المنطقة الرئيسية (مثل مركز التقاطع) وتجنب النفايات الخفيفة;
• استخدام برنامج محاكاة بصرية محترف (مثل DIALux ، ASAP) لمحاكاة تأثير توزيع الضوء مسبقاً ،تعديل معايير العدسات والعاكسات وفقًا لنتائج المحاكاة، وضمان أن منحنى توزيع الضوء يلبي متطلبات التصميم.

وينبغي أن يتم الجمع بين التطابق البصري الثانوي وخصائص مصادر الضوء LED (زاوية الضوء ، تدفق الضوء ، درجة حرارة اللون ، إلخ).) لتجنب عدم تطابق بين مصدر الضوء والمكونات البصرية، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة استخدام الضوء وسوء تأثير الإضاءة:

• بالنسبة للضوئيات ذات الزاوية الضوئية الكبيرة (120 درجة إلى 140 درجة) ، يجب اختيار عدسات TIR أو عدسات سطحية حرة الشكل لجمع الضوء المنتشر وتحسين كفاءة استخدام الضوء.للضوئيات ذات الزاوية الضوئية الصغيرة، يمكن استخدام العاكسات لتوسيع نطاق الإشعاع.
• درجة حرارة لون مصابيح الشوارع LED عادة ما تكون 3000K-5000K. بالنسبة للمناطق السكنية والأرصفة ، يوصى بالضوء الأبيض الدافئ (3000K-4000K) للحد من الوهج وتحسين الراحة البصرية ؛للطرق الشريرية الحضرية والطرق السريعةيوصى بإستخدام الضوء الأبيض المحايد (4000K-5000K) لتحسين التعرف على علامات الطرق والعقبات.
• بالنسبة لمصابيح الشوارع متعددة الشرائح LED ، يجب اختيار عدسات التنسيق لتحقيق التحكم في الضوء المستقل لكل شريحة ، وتجنب التوزيع غير المتكافئ للضوء الناجم عن التدخل المتبادل بين الشرائح ،وضمان توحيد الإضاءة العامة.

في عملية مطابقة البصريات الثانوية الفعلية ، سيكون لدى العديد من المهندسين والموظفين المصممين بعض الأخطاء ، مما يؤثر على تأثير الإضاءة وعمر الخدمة لمصابيح الشوارع LED.الأخطاء الشائعة وطرق تجنبها هي كما يلي:

• متابعة الزاوية الصغيرة للشعاع بشكل أعمى: يعتقد بعض الناس أن زاوية شعاع أصغر يمكن أن تحسن مسافة الإشعاع، ولكن تجاهل التوحيد.زاوية شعاع صغيرة جداً سوف تؤدي إلى نطاق إشعاع ضيق ومناطق مظلمة بين مصابيح الشوارع المجاورةفي الطرق الضيقة، فإن زاوية الضوء الكبيرة جدًا ستسبب ضائعات الضوء والتموج. يجب اختيار زاوية الضوء وفقًا لعرض الطريق وارتفاع عمود المصباح، عادةً ما يكون 60 درجة إلى 120 درجة.
• تجاهل الجمع بين العدسات والعاكسات: استخدام عدسة واحدة أو عاكسة عمياء سيكون له قيود. على سبيل المثال ، العدسة الواحدة لديها قدرة ضعيفة على الإشعاع لمسافات طويلة ،ومرجع واحد لديه توحيد ضعيفيمكن لمزيج الاثنين أن يكمل بعضهما البعض ويحقق التوازن بين مسافة الإشعاع والتوحيد.
• إهمال التحكم في الإضاءة: التركيز فقط على الإضاءة وتجاهل التحكم في الإضاءة سيؤثر على الراحة البصرية للسائقين والمشاة.يجب اختيار نوع الحد المناسبو يجب معالجة سطح المكونات البصرية (مثل معالجة الجليد) لتقليل الوهج.
• تجاهل تأثير العوامل البيئية: عدم النظر في انعكاس سطح الطريق،المباني المحيطة وعوامل أخرى سوف تؤدي إلى عدم توافق تأثير الإضاءة الفعلي مع التصميمعلى سبيل المثال، تأثير انعكاس الضوء لأسطح الطريق ذات اللون الفاتح (الإنعكاسية 0.3-0.4) هو أفضل من ذلك من أسطح الطريق ذات اللون الداكن،ويمكن ضبط معايير توزيع الضوء بشكل مناسب وفقا لون سطح الطريق.

المطابقة البصرية الثانوية لمصابيح الشوارع LED ليست عمل لمرة واحدة.هناك حاجة إلى تحديد الأخطاء بعد التثبيت والصيانة المنتظمة لضمان استقرار تأثير التطابق لفترة طويلة:

• التحليل في الموقع: بعد تثبيت مصابيح الشوارع، استخدم أجهزة قياس الإضاءة المهنية للكشف عن إضاءة سطح الطريق وتوحيده.ضبط زاوية تثبيت مصابيح الشوارع ومعلمات المكونات البصرية وفقًا لنتائج الكشف، وضمان تلبية تأثير الإضاءة لمتطلبات التصميم. على سبيل المثال ، ضبط طول الرافعة المنبثقة (0.5-1.5 متر) لتحسين توحيد الإضاءة في الرصيف ،وتعديل مسافة عمود المصباح (عادة 3-4 مرات ارتفاع التثبيت لتجنب المناطق المظلمة).
• التنظيف المنتظم: سوف تتراكم سطح العدسات والعاكسات الغبار والقذارة وغيرها من الشوائب مع مرور الوقت مما يقلل من انتقالات الضوء وكفاءة الانعكاس.وتؤثر على تأثير التطابقيوصى بتنظيف المكونات البصرية بانتظام (مرة كل 3-6 أشهر) لضمان نظافة سطحها.
• التفتيش المنتظم: فحص المكونات البصرية بانتظام للتحقق من التلف والتشوه والشيخوخة وغيرها من الظواهر.استبدالها في الوقت المناسب لتجنب التأثير على تأثير الإضاءة العامفي نفس الوقت، تحقق من ضوء LEDمصدر لتدهور الضوء (استبداله عندما يكون التدهور الضوئي أكثر من 30٪) لضمان الاستقرار المتطابق بين مصدر الضوء والمكونات البصرية.

المطابقة البصرية الثانوية لمصابيح الشوارع LED هي مشروع منهجي يدمج التصميم البصري واختيار المكونات وتكييف المشهد والصيانة اللاحقة.جوهرها هو أن تأخذ متطلبات إضاءة الطرق كدليل، واختيار المكونات البصرية المناسبة، وصياغة مخططات توزيع الضوء العلمية، وتحقيق التوازن بين جودة عالية من الإضاءة، وكفاءة عالية في استخدام الطاقة وانخفاض الوهج.مع التطور المستمر لتكنولوجيا LED وتكنولوجيا التصميم البصري، ستكون تكنولوجيا مطابقة البصريات الثانوية لمصابيح الشوارع LED أكثر نضجاً وذكاءً ،مثل الأنظمة البصرية التكيفية التي يمكنها ضبط توزيع الضوء تلقائيًا وفقًا لظروف المرور في الوقت الحقيقي.

بالنسبة لمحرري مواقع Google، والمهندسين والممارسين ذات الصلة، فإن إتقان مهارات مطابقة البصريات الثانوية المذكورة أعلاه لا يمكن أن يحسن فقط جودة الإضاءة لمصابيح الشوارع LED،خفض استهلاك الطاقة وتكاليف الصيانة، ولكن أيضا تعزيز التنمية الصحيةإضاءة LEDوتساهم في بناء مدن توفير الطاقة وصديقة للبيئة.يجب أن نستمر في الاهتمام بالابتكار في المكونات البصرية وأساليب التصميم، وتحسين نظام مطابقة البصريات الثانوية بشكل مستمر لتلبية الاحتياجات المتنوعة بشكل متزايد لإضاءة الطرق.