LED路燈的研發(fā)現(xiàn)狀

　　夜晚來臨時，你駕車行駛在馬路上，路燈忠實地陪伴你，使你安全地回家。路燈帶給你的視覺舒適感受首先來源于路面的亮度比較均勻，然后馬路兩邊的人或物也能看見，使你能了解可能會突發(fā)的情況。路燈的照明達到了上述的要求時，它的配光一定是合理的。因此，如果你使用LED 路燈時，雖然它擁用較好光色、壽命長、調(diào)光功能等優(yōu)點，它的配光水平仍然是致關(guān)重要的。目前，LED 路燈剛剛起步，需要不斷地完善，無論是路燈的光學結(jié)構(gòu)設(shè)計，還是散熱技術(shù)，都還在不斷改進中。

　　LED 路燈和使用傳統(tǒng)光源路燈的光學設(shè)計方式是不同的。傳統(tǒng)光源路燈是通過使用反射器將一個光源的光通量平均分配到受照路面上。而LED 路燈的光源由非常多個LED 組成，通過設(shè)計每個LED 的投射方向，使受照路面獲得均勻的照度。

　　目前，LED 路燈在次干路和支路上的應用前景非常好。次干路是城市中與主干路結(jié)合組成路網(wǎng)，起集散交通作用的道路。次干路的照度要求達到15lx，照度均勻度0.4，平均亮度要求達到1.0cd/m2，亮度總均勻度0.4，亮度縱向均勻度0.5，閾值增量≤10。達到節(jié)能水平的LED 路燈，在照明質(zhì)量達到以上要求的同時照明功率密度應小于國家標準的規(guī)定，當車道數(shù)≥4 條時，照明功率密度≤0.70，車道數(shù)＜4 條時，照明功率密度≤0.85。為滿足上述要求，LED 路燈的配光形狀應有嚴格的要求。在馬路的縱向，光束應投射到較遠的地方，使得燈具的間距增大。在路燈的下方，光強應是最小的，隨著仰角γ 增大，光強I′增大。當I′和γ 滿足一定的函數(shù)關(guān)系時，路面能得到均勻的照度。此函數(shù)關(guān)系如下：

　　當然，由于光學設(shè)計的復雜性，配光形狀難以完全符合此函數(shù)關(guān)系，可以減小γ 角的投射范圍，減少燈間距來得到均勻的照度。在馬路縱向，最大光強度的投射方向與馬路縱線應成一定的角度c，角度c 的大小決定于馬路的寬度，見圖2。在垂直于馬路的方向上，路燈的配光曲線形狀也可以按這個函數(shù)關(guān)系設(shè)計，γ 角的范圍決定于馬路的寬度（c=90o）和人行道的位置（c=270o），見圖3。

　　目前，在許多工廠設(shè)計的LED 路燈中也不乏有配光姣好的例子。比如圖4 是一款120WLED 路燈的配光曲線。它的最大光強通過c 角15°，γ 角57.5°。c=0°、180、15°的配光曲線的形狀接近于公式1 的函數(shù)關(guān)系式。此燈具用在四車道的次干路上，雙側(cè)對稱布置，當燈桿高度為8 米，燈具間距30 米時，照明質(zhì)量符合國家關(guān)于道路照明標準的要求，結(jié)果如表1。其照明功率密度（LPD）是0.70，也達到了對高壓鈉燈路燈的照明功率密度要求。

　　前面提到過LED 光源的半空間發(fā)光的特點，LED 光源在燈具內(nèi)使用，光源光通量的損失比高壓鈉燈或金屬鹵化物燈少。就目前來講，LED 光源的光效達不到高壓鈉燈或金屬鹵化物燈的水平，即相同功率的光源，光通量沒有高強度氣體放電燈高。但是，由于LED 光源的半空間發(fā)光的特點，使得LED 燈具的光通量輸出可以接近于高強度氣體放電燈燈具水平。當路燈將光線照射到路面上，光線的投射方向只存在半個空間。高強度氣體放電燈的發(fā)光空間占據(jù)了整個空間，見圖5（a）。如果沒有燈具，光源的上半空間光線全部浪費。使用燈具，反射器可以將上半空間的光線反射到下半空間內(nèi)，但反射器對光線的吸收作用，以及光線反射時受到光源自身的遮擋轉(zhuǎn)換成熱能，或反射器對光線二次反射的再吸收，光源的一部分光線損失了。

　　燈具效率是反映光源光線損失程度的參數(shù)。從小功率高壓鈉燈路燈（70W~150W）光度性能狀況來看，燈具效率一般處于65~75%的水平。以100W 高壓鈉燈為例，也就是說即使光源的光通量達到8000lm，路燈的光通輸出有5200lm~6000lm。LED光源在這方面是具有優(yōu)勢的，LED 的發(fā)光只存在于半個空間，見圖5（b），在不用燈具的情況下，也能將光線100%投射到路面。對燈具需要設(shè)計的是在較小的角度范圍內(nèi)改變光線的投射方向，在這個過程中，光的損失是微小的。目前，LED 路燈的光效達到了40~50lm/W，以100WLED 路燈為例，燈具光通量輸出可以達到4000~5000lm。目前，LED 路燈才剛剛起步，相信不斷地加強設(shè)計力量，路燈的配光會更加優(yōu)化，最后達到完美。

　　目前，LED 路燈還不能用于主干路。主干路是連接城市各主要分區(qū)的干路，采取機動車與非機動車分隔形式。機動車在主干路上的行駛速度比次干路快，照明水平比次干路高。主干路的照度要求達到30lx，照度均勻度0.4，平均亮度要求達到2.0cd/m2，亮度總均勻度0.4，亮度縱向均勻度0.7，閾值增量≤10。達到節(jié)能水平的路燈，應在照明質(zhì)量應達到以上要求的同時照明功率密度應小于國家標準的規(guī)定，當車道數(shù)≥6 條時，照明功率密度≤1.05，車道數(shù)6 條時，照明功率密度≤1.25。主干路上大多使用250W 或400W 高壓鈉燈路燈，250W或400W 高壓鈉燈的光源光通量達到28000lm（250W）和48000lm（400W）。這種大功率路燈的燈具效率一般在75~85%之間，因此，燈具的光通量輸出最低也有21000lm。以一盞250W高壓鈉燈路燈為例，燈具效率83.5%，配光曲線如圖6 所示，其最大光強通過c 角10°，γ角70.0°。c=0°、180、10°的配光曲線的形狀良好。這款路燈可使用在四至六車道的主干路，路面照明質(zhì)量結(jié)果如表2。目前，光通量小是LED 路燈不能應用在主干路上的主要原因。不同光通量檔次的燈具應使用在不同級別的道路，否則，達不到節(jié)能的效果。

　　LED 作為新光源，應在照明設(shè)備中充分利用它的優(yōu)點，改善它的缺點。LED 是嵌入照明器具中使用的，由于LED 芯片的發(fā)熱量大，在做成大功率燈具時遇到了困難。各公司目前正在努力解決的課題之一就是“散熱”。雖說發(fā)光效率越來越高，但LED 芯片的發(fā)熱量仍然很大。如果采取散熱措施，LED 芯片的溫度就會過高、導致芯片本身及封裝樹脂性能的惡化，從而最終引起發(fā)光效率的降低和壽命的縮短。LED 最重要的性能就是“長壽命”，為了不影響這一指標，就需要設(shè)法將芯片上產(chǎn)生的熱量散出去。改善LED 的發(fā)熱問題是攻克大功率照明燈具的關(guān)鍵。

　　關(guān)于LED 燈具的節(jié)能狀況，對于不同的產(chǎn)品應用類型應區(qū)分認識。與傳統(tǒng)光源相比，白光二極管不如單色光二極管在節(jié)能上有突出的貢獻。最初LED 用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED 在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。以12 英寸的紅色交通信號燈為例，本來是采用低光效的140 瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000 流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200 流明的紅光。

　　而在新設(shè)計的交通信號燈中，采用了18 個紅色LED 光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。汽車信號燈也是LED 光源應用的重要領(lǐng)域。1987 年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED 響應速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛的司機知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。白光二極