大功率LED路灯的配光方案

2011年09月05日16:42:24 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

　1 前言

　　当前，以大功率LED 为发光光源专门设计的大功率LED 路灯层出不穷，其发光效率高（>80 lm/W）、使用寿命长（＞ 50 000 h）、光输出定向性好、显色性能优良（75~80）、可以选择色温以及绿色无污染等特点，不仅比传统的以高压钠灯为光源的道路照明节能30%以上，而且能够按照城市道路照明设计标准的要求，方便灵活地设计出合乎满意要求的、路灯灯光输出，具有很高的光利用效率，已发展成为极具竞争力的第四代优质道路照明光源。

　　2 路灯的配光方案

　　（1）道路照明对路灯光输出的要求

　　较早时期的大功率LED路灯只是模仿以高压钠灯为主的道路照明灯具的形式，通过利用LED 来替代常用的高压钠灯光源，结构非常简单。一般直接选用常规的路灯外壳、结构件及光输出角度较大的功率LED作为发光器件，采用在兼有反光器和散热器功能、背面有散热鳍片的金属平面上将LED 简单地等距离排列，并通过LED 阵列混联的方式来获得较大的灯功率输出和较强的光输出。由于没有针对LED 的出光特点和道路照明标准来进行LED 路灯的二次、三次配光设计，因此就如图1 所示的那样：路灯的光输出在路面上形成一个圆形光斑，造成在道路方向上的照明角度有限，圆形光斑之间由于没有光的平滑叠加过渡而形成明显的暗区——斑马效应；在道路垂直方向上散落在道路边外而没有被利用的光较多，无法满足道路照明对路灯光输出特性的要求。

　　为了满足对路面亮度和路面照度的要求，路灯的光强输出曲线沿着道路方向必须是“蝙蝠翼”型的，在垂直于道路方向上满足均匀度的要求。路灯的光输出配光应该像图2 所示，为长方形的均匀光斑，使得绝大部分的光都分布在路面上，尽可能地提高灯光的利用效率，减少不必要的浪费。

　　（2） LED 及LED 路灯的配光方案

　　路灯是一种极为重要的功能性照明设备，是为了保障夜间道路交通安全而设置的，其光输出特性必须要满足夜间汽车驾驶人员及行人的视觉分辨要求，因此LED路灯的配光方案就是要在道路照明要求的基础上从单个的LED 配光着手来进行。

　　1.1 LED 的光输出特性

　　随着LED 技术的快速进步，性能指标有了显着的提高。特别是作为第四代照明主流的大功率白光LED的性能有了很大的提高。依据使用要求的不同，以单片封装的功率来区分：从1~10W 直到上百瓦、几百瓦不等；从LED 封装透镜的配光输出光强特性来区分，主要有：朗伯型、侧发光型、蝙蝠翼型、聚光型（准直）等类型，输出的特性曲线如图3 所示。

　　目前，功率型白光LED 正在朝着单片大功率的方向发展，但是由于芯片散热瓶颈的制约，采用多芯片组合封装的单片超大功率LED 的散热相对困难，光效相对较低，几乎功率越大的单片LED 相对的光效就越低。在大功率LED 路灯的设计中，大功率LED 的选择需要考虑一次封装特性、发光效率、安装工艺要求、二次三次配光设计、使用环境、散热条件、与驱动控制器的输出特性配合等诸多问题，因此综合以上多种因素，以及实际的应用，路灯中选择LED 的主流趋势是：单个LED 的功率在1 瓦至数瓦左右、显色性好、色温一致、光效90~100 lm/W 的优质产品为设计的较佳选择。在路灯的功率上，通过多颗阵列混联的方式来得要求的总的发光功率；在光的输出特性上，朗伯型、蝙蝠翼型和聚光型应用较多，但是一般都不能直接应用到路灯中去，必须通过再次的配光设计来获得满足道路照明要求的灯光输出特性。

1.2 LED 的配光方案

　　①LED 的一次配光方案

　　在功率型LED 的制造过程中，为了提高光效率、减少光输出损失和改变光输出特性，封装时均采用透镜工艺。由此可以考虑将LED 的封装透镜工艺与道路照明需要的光输出特性相结合来形成大功率LED的一次配光方案。通过特殊设计的透镜，可以直接获得需要的光输出特性，并由此来叠加合成大功率LED 路灯总的光输出，使其满足道路照明的要求。

　　●斜射矩形透镜封装的LED 配光

　　采用斜射矩形透镜封装配光的原理及光输出模拟（参见图4）。主要研究结论是：

　　特别设计的LED 封装透镜为顶部倒圆角的矩形，矩形面呈圆弧状，与水平面保持一定的设计角度，使得其对LED 芯片的光输出方向发生可控的改变。按照通常的路灯安装原则，灯距约为灯高的3 倍。通过计算，灯的光输出角在C0/C180 方向上约为140°，在C90/C270 方向上约为80°，仰角约为10°，可以获得满意的道路光照效果。

　　●双头透镜封装的LED 配光

　　采用双头形透镜的一次配光原理（见图5）具体的设计思路是：为了将LED 的光输出特性改造为满足道路照明要求的蝙蝠翼形，可以将常规的LED一次封装透镜设计成特殊的双头型形式。这样，通过路灯的再次配光设计就能够得到满足道路照明要求的效果。

　　②LED 的二次配光方案

　　在现有的大功率LED上再次采用透镜及反光器配光，就是LED 的二次配光方案，也是一种较常用的光的再分配形式，具有设计灵活、应用简单，可以根据具体的道路要求来获得满意效果的LED路灯的配光输出。其方法多种多样，如：采用特殊的、接近于矩形的、非轴对称的波纹形凹透镜或凸透镜，再结合反光器而形成的LED 单元，然后通过LED 单元，使LED的光线输出按照要求的角度发散或会聚，得到合适的光输出特性。

　　●全反射透镜的LED 二次配光

　　采用全反射透镜（见图6）获得预想的光输出特性的研究结果。

　　在图6 中，单个LED 采用为轴对称的全反射透镜进行配光。其中间为一平凸非球面透镜，将LED 射出的与光轴夹角±64°的光均匀约束在±30°范围内，剩余的光通过侧柱反射也集中在±30°范围内。较后得到±30°范围内的光均匀输出，光强的远场分布为蝙蝠翼形。

　　通过路灯的配光设计，对于常用的10 m 高度的路灯，将在所要照射的道路上形成长约35 m、宽为10 m 均匀的矩形光照效果。

　　●自由曲面透镜的LED 二次配光

　　图7 给出的是采用自由曲面透镜的研究结果。

　其主要原理是：设计在XY 轴上非对称的长方形自由曲面的光学元件，在X 轴上产生±60°的均匀分布配光，满足道路长度方向上的照明要求；在Y 轴上产生±30°的均匀分布配光，得到具有矩形光照效果的LED 蝙蝠翼形配光。灯具的配光只需将单个LED 单元的光输出进行简单的叠加，直接由LED 的二次配光来完成，满足道路的照明要求。对于不同的道路，只要根据具体要求，改变LED 的数量和灯具的高度即可。

　　●外置透镜和反光器的LED 二次配光

　　采用外置透镜和反光器与单个LED结合形成二次配光单元的配光形式（见图8）。通过有的放矢地选择LED以及合理的透镜设计和反光器曲率的选择可以获得满足要求的LED 二次配光的光输出。

　　1.3 LED 路灯的配光方案

　　大功率LED 路灯的配光可以称为LED 的二、三次配光，是在上述单个大功率LED 完成一、二次配光得到了满足或近似符合道路照明要求的单个LED（单元）后的再次配光。主要原理是：平均亮度或平均照度指标是通过调整路灯总的LED（单元）数量多少来满足；均匀度指标是通过路灯的配光方案来实现。

　　具体就是通过单个大功率LED（单元）在路灯中的简单叠加或者空间排列方式来合成路灯的光输出分布。

　　①平面式配光

　　平面配光是将LED路灯中已经经过一次或二次配光设计、光输出为满足要求的蝙蝠翼型的LED 单元，在平面上均匀安装，灯具的作用只需将单个的LED 光输出进行简单的叠加，几乎不需要再次进行配光就可以得到满意的道路照明效果，具体可以参见LED 斜射透镜和双头形透镜的一次配光，以及自由曲面二次配光等内容。

　　②圆柱面式配光

　　很显然，除了LED 单元通过改造后输出的光特性满足道路照明要求的蝙蝠翼型，能够采用平面形灯配光。其它特性的LED 光输出都需要进行路灯的二、三次配光设计才行。图9 给出了采用圆柱面式配光的示意。从图9 中可见：采用窄输出角的LED 单元，如前面提及的±30°范围角的全反射透镜，灯中的LED 单元安装排列为一圆柱弧形，使灯在弧面方向形成±60°的配光。根据不同的灯的安装高度、与水平面的仰角以及灯与灯之间的距离，通过调整圆弧的曲率、改变圆弧方向上LED 的排列密度，在道路上可以获得的照明效果为一沿道路方向近似的矩形面，能得到满意的道路照明效果。

　　③多折面式配光

　　在路灯的实际

大功率LED路灯的配光方案

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