基于自由曲面光學元件的LED路燈配光方案

標簽：LED 照明 光源

引言

led(LightEmittingDiode)是21世紀具有競爭力的新型固體光源，與傳統光源相比具有體積小、壽命長、能耗低、控制靈活等優勢。在道路照明中，隨著白光LED技術的發展，單粒LED的光通量不斷提高，LED取代傳統光源用于LED路燈將成為趨勢。光源在空間各個方向的光強分布即為配光。LED路燈配光是使光線盡可能投射到被照路面各個區域，獲得符合道路照明要求的光分布，LED路燈配光設計是否準確到位是其能否替代傳統路燈的關鍵因素之一。研究LED路燈配光對今后LED道路照明的系統設計研究具有重要意義。

1 LED路燈配光的特點和要求

1.1 LED路燈配光形狀特點

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，通常需要對LED路燈進行配光，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 道路照明標準配光要求

根據《城市道路照明設計標準》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準值應符合表1的規定。

表1 道路照明標準值目前的LED路燈研究主要集中在次干路和支路上的應用，光通量小是LED路燈不能應用在主干路上的主要原因。在主干路上的應用還有待LED技術的研究和發展。

表1 道路照明標準值

1.3 LED路燈的配光曲線

發光強度的空間分布通常稱為配光曲線。在路燈的下方，光強應是最小，隨著仰角θ增加，光強I增加。函數關系為：

即配光曲線表達式。道路照明單一燈具的理想配光曲線示意圖如圖2所示。

由于光學設計復雜性，配光形狀難以完全符合函數關系，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，希望在配光后能實現寬角度的“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上進行，同時要考慮控制眩光和考慮環境系數。對道路照明來說，光效和配光曲線是兩個重要參數，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系。通過良好的封裝透鏡的設計，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的光強輸出曲線改造成“蝙蝠翼”形，以便進一步實現整個路燈整體光強輸出曲線的“蝙蝠翼”形配光。雙頭透鏡一次配光結構和配光曲線如圖3(a)和圖3(b)所示，該透鏡的設計成為其一次配光核心。

圖3 雙頭透鏡封裝的LED配光結構和配光曲線示意圖

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。光由相對光密介質射向相對光疏介質，當入射角大于臨界角時可發生全反射，利用這一原理設計軸對稱全反射透鏡。

例如，使得光束角改變為±30°范圍內，有利于進一步的配光設計。全反射透鏡如圖4所示。

采用自由曲面透鏡的LED二次配光。該設計中，采用了XY軸方向上非對稱長方形配光的自由曲面光學元件。例如，在X軸上產生±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。自由曲面設計中通過包括有微分方程法、多參數優化法、多表面同時設計法和剪切法來獲得光源光線分布與照明目標面光線分布匹配。自由曲面透鏡如圖5所示。‖

圖4 全反射透鏡