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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(shí)要考慮控制眩光和考慮環(huán)境系數(shù),。對(duì)道路照明來說,，光效和配光曲線是兩個(gè)重要參數(shù)，目前LED路燈配光的方案主要有以下基本形式,。

　　2.1 LED路燈的一次配光

　　在功率型LED制造過程中,，封裝時(shí)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(gè)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(duì)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(duì)光密介質(zhì)射向相對(duì)光疏介質(zhì),，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)可發(fā)生全反射，利用這一原理設(shè)計(jì)軸對(duì)稱全反射透鏡,。

　　例如,，使得光束角改變?yōu)?plusmn;30°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(duì)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(shí)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?！?/p>

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(duì)多個(gè)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(shí)采用XY方向非對(duì)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(gè)LED光學(xué)元件上已完成,，所以整個(gè)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(gè)LED排列組成一個(gè)LED模組,，LED模組上的LED是采用軸對(duì)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(shí),，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(duì)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(gè)LED單獨(dú)設(shè)計(jì)XY軸方向非對(duì)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(gè)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(jià)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(duì)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(duì)困難,，光效相對(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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,。

　　LED路燈配光設(shè)計(jì)是LED道路照明應(yīng)用的關(guān)鍵之一,。本文主要分析了LED路燈的配光方案，對(duì)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,。