一種LED路燈配光方案
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LED路燈配光是使光線盡可能投射到被照路面各個區(qū)域，獲得符合道路照明要求的光分布，LED路燈配光設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確到位是其能否替代傳統(tǒng)路燈的關(guān)鍵因素之一。研究LED路燈配光對今后LED道路照明的系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究具有重要意義。
1 LED路燈配光的特點(diǎn)和要求
1.1 LED路燈配光形狀特點(diǎn)
在道路照明中，如果沒有對LED路燈光源配光，照射在路面上的光型為面積較大的圓形光斑，會有部分光散落到路面之外而沒有被利用，如圖1(a)所示。
為了滿足對路面的亮度、照度、均勻度的要求，且盡可能使得大部分光都分布在道路面上以提高燈光的利用率，減少不必要的浪費(fèi)，通常需要對LED路燈進(jìn)行配光，LED路燈輸出的光線照射在路面上所形成的光型或光斑以矩形為佳，如圖1(b)所示。
圖1 LED路燈配光示意圖
1.2 道路照明標(biāo)準(zhǔn)配光要求
根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，道路照明中道路分為快速路與主干路、次干路、支路，LED道路照明配光要求標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合表1的規(guī)定。
表1 道路照明標(biāo)準(zhǔn)值目前的LED路燈研究主要集中在次干路和支路上的應(yīng)用，光通量小是LED路燈不能應(yīng)用在主干路上的主要原因。在主干路上的應(yīng)用還有待LED技術(shù)的研究和發(fā)展。
表1 道路照明標(biāo)準(zhǔn)值
1.3 LED路燈的配光曲線
發(fā)光強(qiáng)度的空間分布通常稱為配光曲線。在路燈的下方，光強(qiáng)應(yīng)是最小，隨著仰角θ增加，光強(qiáng)I增加。函數(shù)關(guān)系為：
即配光曲線表達(dá)式。道路照明單一燈具的理想配光曲線示意圖如圖2所示。
由于光學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜性，配光形狀難以完全符合函數(shù)關(guān)系，可以減小θ角的投射范圍，減少燈具的間距來得到均勻照度。一般來說，希望在配光后能實(shí)現(xiàn)寬角度的“蝙蝠翼”形配光。
圖2 理想配光曲線
2 LED路燈配光方案及分析
LED路燈的配光方案在道路照明要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行，同時要考慮控制眩光和考慮環(huán)境系數(shù)。對道路照明來說，光效和配光曲線是兩個重要參數(shù)，目前LED路燈配光的方案主要有以下基本形式。
在功率型LED制造過程中，封裝時采用透鏡工藝可提高光效率、減少光輸出損失、改變光輸出特性，LED的封裝透鏡工藝與大功率的LED路燈照明一次配光有一定的關(guān)系。通過良好的封裝透鏡的設(shè)計(jì)，LED可以獲得較好的光輸出特性。
采用雙頭透鏡封裝的LED配光，可以將單粒LED的光強(qiáng)輸出曲線改造成“蝙蝠翼”形，以便進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整個路燈整體光強(qiáng)輸出曲線的“蝙蝠翼”形配光。雙頭透鏡一次配光結(jié)構(gòu)和配光曲線如圖3(a)和圖3(b)所示，該透鏡的設(shè)計(jì)成為其一次配光核心。
圖3 雙頭透鏡封裝的LED配光結(jié)構(gòu)和配光曲線示意圖
2.2 LED路燈的二次配光
對LED路燈中的大功率LED采用透鏡或反光器進(jìn)一步改變輸出光特性，即為LED路燈的二次配光。
LED路燈的二次配光主要有以下情況。
采用全反射透鏡的LED二次配光。光由相對光密介質(zhì)射向相對光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角大于臨界角時可發(fā)生全反射，利用這一原理設(shè)計(jì)軸對稱全反射透鏡。
例如，使得光束角改變?yōu)椤?0°范圍內(nèi)，有利于進(jìn)一步的配光設(shè)計(jì)。全反射透鏡如圖4所示。
采用自由曲面透鏡的LED二次配光。該設(shè)計(jì)中，采用了XY軸方向上非對稱長方形配光的自由曲面光學(xué)元件。例如，在X軸上產(chǎn)生±60°的均勻分布的配光，滿足道路的長度方向的照明要求，在Y軸上產(chǎn)生±30°均勻分布的配光，得到具有矩形光照效果的LED“蝙蝠翼”形配光。自由曲面設(shè)計(jì)中通過包括有微分方程法、多參數(shù)優(yōu)化法、多表面同時設(shè)計(jì)法和剪切法來獲得光源光線分布與照明目標(biāo)面光線分布匹配。自由曲面透鏡如圖5所示。
圖4 全反射透鏡
圖5 自由曲面透鏡
采用外置透鏡和反光器的LED二次配光。選擇合適的透鏡和拋物面的反光器，使出射光線滿足一定的要求。外置透鏡和反光器結(jié)合如圖6所示。
圖6 外置透鏡和反光器的LED示意圖
2.3 LED路燈的三次配光
LED路燈的三次配光是在大功率LED一、二次配光完成的基礎(chǔ)上，通過對多個LED(單元模組)疊加和空間排列實(shí)現(xiàn)，以滿足道路照明平均亮度、平均照度和均勻度的要求。三次配光有以下幾種方式。
(1)平面式配光
LED路燈設(shè)計(jì)時采用XY方向非對稱的矩形配光的自由曲面光學(xué)元件(透鏡或反光杯)，由于矩形配光在單個LED光學(xué)元件上已完成，所以整個LED路燈只需將該LED模組排列在平板上即可。圖7(a)為LED路燈的平面式配光示意。
(2)弧面式配光
多個LED排列組成一個LED模組，LED模組上的LED是采用軸對稱的全反射的透鏡或反光杯進(jìn)行配光的，通過透鏡或反光杯配光的輻射角寬度足以覆蓋道路寬度。將LED模組排列在弧面上，如圖7(b)所示，通過調(diào)整弧面可以在道路方向上產(chǎn)生近乎于矩形光型。
圖7 LED路燈的三次配光示意圖
(3)多折面式配光
LED光線具有良好的方向性，為獲得較好的道路配光，分別設(shè)計(jì)各組的LED投射方向負(fù)責(zé)照射各自區(qū)域，較為簡單的方式是采用V字型面方式。在多折面式配光設(shè)計(jì)時，路燈中各組的大功率LED分別安裝在不同平面上，通過調(diào)整各組相對角度來獲得路燈的光輸出特性和近似矩形照明效果，滿足道路照明標(biāo)準(zhǔn)中的要求。圖7(c)為多折面式LED路燈示意圖。
(4)反光杯式配光
通過LED反射器的設(shè)計(jì)來獲得路燈燈光的輸出特性。為單個LED單獨(dú)設(shè)計(jì)XY軸方向非對稱的反射器，此方案類似于平面式配光，不同的是使用自由曲面反光器，使其獲得光輸出接近于“蝙蝠翼”形，設(shè)計(jì)多個反射器并排列同樣可以得到較好的道路照明效果。
2.4 LED路燈配光方案分析
無論采取何種技術(shù)手段或方案，就LED路燈配光來說，其光輸出特性滿足夜間道路照明標(biāo)準(zhǔn)要求，該技術(shù)或方案具有良好的使用價值。上述配光各有優(yōu)缺點(diǎn)，如表2所示。一種LED路燈配光方案往往需要進(jìn)行多次配光的組合和反復(fù)設(shè)計(jì)，以達(dá)到道路照明的標(biāo)準(zhǔn)。如LED一次配光(透鏡封裝)和燈具的二次配光的組合、LED的二次配光單元和燈具的三次配光的組合、LED路燈的反射器二次配光等。
表2 配光方案的對比
目前，功率型白光LED正朝著單片大功率的方向發(fā)展，由于芯片散熱瓶頸制約，采用多芯片組合封裝的單片大功率LED的散熱相對困難，光效相對較低。
所以，綜合考慮封裝、散熱、光效、顯色等因素，通常選擇單個LED功率在1瓦至數(shù)瓦、光效為90~100lm/W的產(chǎn)品，通過多粒陣列混聯(lián)方式來達(dá)到總體功率要求，LED路燈配光方面則通過在同一平面合理排列具有較好一次配光的LED,并對該平面的LED整體應(yīng)用自由曲面光學(xué)元件(透鏡或反光杯)進(jìn)行二次配光，以達(dá)到道路照明配光要求。該方案減少了LED路燈總體的配光次數(shù)，即減少了LED輸出光的損失，提高了燈具的效率;簡化了燈具的相對設(shè)計(jì)、加工難度;保證了路面均勻度、照度、光型;便于整體設(shè)計(jì)。
因此該方案具有良好的研究前景。
本文主要分析了LED路燈的配光方案，對各方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，認(rèn)為基于自由曲面光學(xué)元件的配光設(shè)計(jì)方案具有良好的發(fā)展前景。LED路燈的配光在LED道路照明中具有重要意義。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，LED路燈應(yīng)用于道路照明的前景將更加廣闊。
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