大功率LED路燈的配光設(shè)計方案 - 全文

　　1 前言

　　當前，大功率LED 路燈發(fā)光效率高(>80 lm/W)、使用壽命長(> 50 000 h)、光輸出定向性好、顯色性能優(yōu)良(75~80)、可以選擇色溫以及綠色無污染等特點，比傳統(tǒng)道路照明節(jié)能30%以上，具有很高的光利用效率，已發(fā)展成為極具競爭力的第四代優(yōu)質(zhì)道路照明光源。

　　2 路燈的配光方案

　　(1) 道路照明對路燈光輸出的要求

　　較早時期的大功率LED路燈只是模仿以高壓鈉燈為主的道路照明燈具的形式，通過利用LED 來替代常用的高壓鈉燈光源，結(jié)構(gòu)非常簡單。一般直接選用常規(guī)的路燈外殼、結(jié)構(gòu)件及光輸出角度較大的功率LED作為發(fā)光器件，采用在兼有反光器和散熱器功能、背面有散熱鰭片的金屬平面上將LED 簡單地等距離排列，并通過LED 陣列混聯(lián)的方式來獲得較大的燈功率輸出和較強的光輸出。由于沒有針對LED 的出光特點和道路照明標準來進行LED 路燈的二次、三次配光設(shè)計，因此就如圖1 所示的那樣：路燈的光輸出在路面上形成一個圓形光斑，造成在道路方向上的照明角度有限，圓形光斑之間由于沒有光的平滑疊加過渡而形成明顯的暗區(qū)——斑馬效應(yīng);在道路垂直方向上散落在道路邊外而沒有被利用的光較多，無法滿足道路照明對路燈光輸出特性的要求。

　　為了滿足對路面亮度和路面照度的要求，路燈的光強輸出曲線沿著道路方向必須是“蝙蝠翼”型的，在垂直于道路方向上滿足均勻度的要求。路燈的光輸出配光應(yīng)該像圖2 所示，為長方形的均勻光斑，使得絕大部分的光都分布在路面上，盡可能地提高燈光的利用效率，減少不必要的浪費。

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　　(2) LED 及LED 路燈的配光方案

　　路燈是一種極為重要的功能性照明設(shè)備，是為了保障夜間道路交通安全而設(shè)置的，其光輸出特性必須要滿足夜間汽車駕駛?cè)藛T及行人的視覺分辨要求，因此LED路燈的配光方案就是要在道路照明要求的基礎(chǔ)上從單個的LED 配光著手來進行。

　　1.1 LED 的光輸出特性

　　隨著LED 技術(shù)的快速進步，性能指標有了顯著的提高。特別是作為第四代照明主流的大功率白光LED的性能有了很大的提高。依據(jù)使用要求的不同，以單片封裝的功率來區(qū)分：從1~10W 直到上百瓦、幾百瓦不等;從LED 封裝透鏡的配光輸出光強特性來區(qū)分，主要有：朗伯型、側(cè)發(fā)光型、蝙蝠翼型、聚光型(準直)等類型，輸出的特性曲線如圖3 所示。

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　　目前，功率型白光LED 正在朝著單片大功率的方向發(fā)展，但是由于芯片散熱瓶頸的制約，采用多芯片組合封裝的單片超大功率LED 的散熱相對困難，光效相對較低，幾乎功率越大的單片LED 相對的光效就越低。在大功率LED 路燈的設(shè)計中，大功率LED 的選擇需要考慮一次封裝特性、發(fā)光效率、安裝工藝要求、二次三次配光設(shè)計、使用環(huán)境、散熱條件、與驅(qū)動控制器的輸出特性配合等諸多問題，因此綜合以上多種因素，以及實際的應(yīng)用，路燈中選擇LED 的主流趨勢是：單個LED 的功率在1 瓦至數(shù)瓦左右、顯色性好、色溫一致、光效90~100 lm/W 的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為設(shè)計的最佳選擇。在路燈的功率上，通過多顆陣列混聯(lián)的方式來得要求的總的發(fā)光功率;在光的輸出特性上，朗伯型、蝙蝠翼型和聚光型應(yīng)用較多，但是一般都不能直接應(yīng)用到路燈中去，必須通過再次的配光設(shè)計來獲得滿足道路照明要求的燈光輸出特性。

　　1.2 LED 的配光方案

　?、貺ED 的一次配光方案

　　在功率型LED 的制造過程中，為了提高光效率、減少光輸出損失和改變光輸出特性，封裝時均采用透鏡工藝。由此可以考慮將LED 的封裝透鏡工藝與道路照明需要的光輸出特性相結(jié)合來形成大功率LED的一次配光方案。通過特殊設(shè)計的透鏡，可以直接獲得需要的光輸出特性，并由此來疊加合成大功率LED 路燈總的光輸出，使其滿足道路照明的要求。

　　●斜射矩形透鏡封裝的LED 配光

　　采用斜射矩形透鏡封裝配光的原理及光輸出模擬(參見圖4)。主要研究結(jié)論是：

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　　特別設(shè)計的LED 封裝透鏡為頂部倒圓角的矩形，矩形面呈圓弧狀，與水平面保持一定的設(shè)計角度，使得其對LED 芯片的光輸出方向發(fā)生可控的改變。按照通常的路燈安裝原則，燈距約為燈高的3 倍。通過計算，燈的光輸出角在C0/C180 方向上約為140°，在C90/C270 方向上約為80°，仰角約為10°，可以獲得滿意的道路光照效果。

　　●雙頭透鏡封裝的LED 配光

　　采用雙頭形透鏡的一次配光原理(見圖5)具體的設(shè)計思路是：為了將LED 的光輸出特性改造為滿足道路照明要求的蝙蝠翼形，可以將常規(guī)的LED一次封裝透鏡設(shè)計成特殊的雙頭型形式。這樣，通過路燈的再次配光設(shè)計就能夠得到滿足道路照明要求的效果。

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　?、贚ED 的二次配光方案

　　在現(xiàn)有的大功率LED上再次采用透鏡及反光器配光，就是LED 的二次配光方案，也是一種最常用的光的再分配形式，具有設(shè)計靈活、應(yīng)用簡單，可以根據(jù)具體的道路要求來獲得滿意效果的LED路燈的配光輸出。其方法多種多樣，如：采用特殊的、接近于矩形的、非軸對稱的波紋形凹透鏡或凸透鏡，再結(jié)合反光器而形成的LED 單元，然后通過LED 單元，使LED的光線輸出按照要求的角度發(fā)散或會聚，得到合適的光輸出特性。

　　●全反射透鏡的LED 二次配光

　　采用全反射透鏡(見圖6)獲得預(yù)想的光輸出特性的研究結(jié)果。

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　　在圖6 中，單個LED 采用為軸對稱的全反射透鏡進行配光。其中間為一平凸非球面透鏡，將LED 射出的與光軸夾角±64°的光均勻約束在±30°范圍內(nèi)，剩余的光通過側(cè)柱反射也集中在±30°范圍內(nèi)。最后得到±30°范圍內(nèi)的光均勻輸出，光強的遠場分布為蝙蝠翼形。

　　通過路燈的配光設(shè)計，對于常用的10 m 高度的路燈，將在所要照射的道路上形成長約35 m、寬為10 m 均勻的矩形光照效果。

　　●自由曲面透鏡的LED 二次配光

　　圖7 給出的是采用自由曲面透鏡的研究結(jié)果。

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　　其主要原理是：設(shè)計在XY 軸上非對稱的長方形自由曲面的光學元件，在X 軸上產(chǎn)生±60°的均勻分布配光，滿足道路長度方向上的照明要求;在Y 軸上產(chǎn)生±30°的均勻分布配光，得到具有矩形光照效果的LED 蝙蝠翼形配光。燈具的配光只需將單個LED 單元的光輸出進行簡單的疊加，直接由LED 的二次配光來完成，滿足道路的照明要求。對于不同的道路，只要根據(jù)具體要求，改變LED 的數(shù)量和燈具的高度即可。

　　●外置透鏡和反光器的LED 二次配光

　　采用外置透鏡和反光器與單個LED結(jié)合形成二次配光單元的配光形式(見圖8)。通過有的放矢地選擇LED以及合理的透鏡設(shè)計和反光器曲率的選擇可以獲得滿足要求的LED 二次配光的光輸出。

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　　1.3 LED 路燈的配光方案

　　大功率LED 路燈的配光可以稱為LED 的二、三次配光，是在上述單個大功率LED 完成一、二次配光得到了滿足或近似符合道路照明要求的單個LED(單元)后的再次配光。主要原理是：平均亮度或平均照度指標是通過調(diào)整路燈總的LED(單元)數(shù)量多少來滿足;均勻度指標是通過路燈的配光方案來實現(xiàn)。

　　具體就是通過單個大功率LED(單元)在路燈中的簡單疊加或者空間排列方式來合成路燈的光輸出分布。

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　　平面配光是將LED路燈中已經(jīng)經(jīng)過一次或二次配光設(shè)計、光輸出為滿足要求的蝙蝠翼型的LED 單元，在平面上均勻安裝，燈具的作用只需將單個的LED 光輸出進行簡單的疊加，幾乎不需要再次進行配光就可以得到滿意的道路照明效果，具體可以參見LED 斜射透鏡和雙頭形透鏡的一次配光，以及自由曲面二次配光等內(nèi)容。

　?、趫A柱面式配光

　　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(shè)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(jù)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(diào)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(yīng)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(jié)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(shè)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(diào)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(shè)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(shè)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(yīng)用與單個的LED 配光進行了很好的結(jié)合，通過具有特色的LED反射器的設(shè)計來獲得滿意的路燈燈光的輸出特性。

　　圖11 給出了特殊設(shè)計采用反射器的路燈三次配光原理。與燈的設(shè)計相結(jié)合，采用大角度出光的功率LED，并為每個LED 單獨設(shè)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(dǎo)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(shù)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(shè)計標準、具有良好光輸出特性LED 路燈的配光必須經(jīng)過多次反復(fù)設(shè)計才行。下面列出了主要的幾種路燈配光組合方案。

　?、貺ED 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(jié)合。其優(yōu)點是：由于LED 的成品器件已經(jīng)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(shè)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(shù)，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(xié)調(diào)，并且由于數(shù)量的關(guān)系，可能價格較高，操作起來比較困難。

　　②LED 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(jié)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(shè)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(yīng)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(shè)計，也增加了燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(jié)語

　　本文結(jié)合城市道路照明設(shè)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。