圓柱面式配光 - 大功率LED路燈的配光設計方案

　　很顯然，除了LED 單元通過改造后輸出的光特性滿足道路照明要求的蝙蝠翼型，能夠采用平面形燈配光。其它特性的LED 光輸出都需要進行路燈的二、三次配光設計才行。圖9 給出了采用圓柱面式配光的示意。從圖9 中可見：采用窄輸出角的LED 單元，如前面提及的±30°范圍角的全反射透鏡，燈中的LED 單元安裝排列為一圓柱弧形，使燈在弧面方向形成±60°的配光。根據不同的燈的安裝高度、與水平面的仰角以及燈與燈之間的距離，通過調整圓弧的曲率、改變圓弧方向上LED 的排列密度，在道路上可以獲得的照明效果為一沿道路方向近似的矩形面，能得到滿意的道路照明效果。

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　　在路燈的實際應用中，采用圓柱排列安裝配光存在的問題是：單個LED 的散熱平面與安裝的圓弧面的結合不好，需要特別處理(如處理成多棱柱型)。這樣就增加了路燈的散熱器以及外殼制造的工藝難度，且成品燈體的厚度也較大。為此可以采用另一種多折面的配光方式來解決上述問題。較簡單的方式是采用V字型面方式，但照射效果和出光均勻度有限;效果較好的是采用圖10 給出的多折面式配光設計所獲得的道路照明方案。路燈中的每組大功率LED 單元分別安裝在不同的平面上，通過相對的不同角度來合成路燈的光輸出特性，即通過調整各自的角度和LED 單元的排列密度，在道路上獲得近似矩型面的照明效果，能夠滿足照明設計標準中的亮度均勻度和照度等的要求。

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　　在傳統(tǒng)的以高壓鈉燈為主流的道路照明燈具中，利用反光器來改變光輸出特性是一種必需的配光方式。

　　在LED 照明中，有一種觀點認為：由于LED 具有光輸出定向性好的特點，可以少用甚至取消反射器。但是在大功率LED 路燈的設計中，為了更充分的利用LED 的周邊泄漏光線、改變LED 的光輸出特性，反射器的應用與單個的LED 配光進行了很好的結合，通過具有特色的LED反射器的設計來獲得滿意的路燈燈光的輸出特性。

　　圖11 給出了特殊設計采用反射器的路燈三次配光原理。與燈的設計相結合，采用大角度出光的功率LED，并為每個LED 單獨設計XY 軸方向非對稱的反射器，使其獲得的光輸出接近于蝙蝠翼型，減少了由于透鏡的引入而導致的光輸出損失，同樣可以得到較為滿意的道路照明效果。

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　　1.4 路燈的配光組合及存在的問題

　　無論是采用何種技術手段，單從大功率LED 路燈配光的角度來說，其光輸出特性必須滿足夜間道路照明的標準要求才具有良好的實用的價值。從LED 的配光開始，一個滿足道路設計標準、具有良好光輸出特性LED 路燈的配光必須經過多次反復設計才行。下面列出了主要的幾種路燈配光組合方案。

　　①LED 一次配光(透鏡封裝)+燈具的二次配光

　　此種組合方案是采用LED芯片封裝透鏡的一次配光與燈具的二次配光結合。其優(yōu)點是：由于LED 的成品器件已經形成了具有矩型的光輸出照明效果，在燈具的配光中就可以采用簡單的平面配光形式，簡化了燈具的設計和加工工藝的難度，使得燈具的體積相對較小，具有扁平、輕薄、外形秀氣等特點，并且由于減少了燈總體的配光次數，即減少了LED 輸出的光損失，提高了燈具的效率;不足之處是：在LED 芯片封裝時需要采用特殊加工的封裝透鏡和工藝，通用性相對較差，且需要與上游的芯片封裝廠商協調，并且由于數量的關系，可能價格較高，操作起來比較困難。

　?、贚ED 的二次配光單元+燈具的三次配光

　　相對于①中的配光方案，采用LED 二次配光所形成的LED 單元與燈的三次配光相結合，主要優(yōu)點是：

　　可以直接選用市場上大量提供的LED 器件，具有價格優(yōu)勢且通用性好。通過二次透鏡的設計來獲得滿意的LED 單元的光輸出特性，并且在燈的配光中還可以進一步采用三次配光的方式來獲得理想的光輸出特性;不足之處是：常用材料為PMMA，透鏡的效率只有86%左右，LED 二次配光的二次透鏡的應用降低了LED 的光輸出，降低了燈具的總體效率。此外，燈具需要采用三次配光設計，也增加了燈具的結構設計和加工工藝的難度，使得燈具的體積相對較大、用料較費、造價提高。

　?、跮ED 路燈的反射器配光

　　反射器的效率高達90%以上。利用前文所提及的反射器式配光方式(參見圖11)，在LED 路燈配光上只采用特殊設計的、非對稱的反射器來給LED 進行二次配光，而不采用二次透鏡配光，避免了由透鏡引起的光輸出損失，也是一種被看好的配光方式，并且配有反射器的LED單元的光輸出特性也能夠接近道路照明要求，具有較好的效果。這種配光的突出優(yōu)點是路燈具有很高的光輸出效率。

　　3 結語

　　本文結合城市道路照明設計標準要求，從分析LED芯片的一次配光開始，到由路燈所形成的二、三次配光為止，來研究大功率LED 封裝的一次配光和通過二次透鏡、反光器等所形成的二次配光的光輸出特性，以及由路燈所形成的三次配光的光輸出特性。