基于自由曲面光學元件的LED路燈配光方案

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上，通過對多個LED(單元模組)疊加和空間排列實現，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路燈設計時采用XY方向非對稱的矩形配光的自由曲面光學元件(透鏡或反光杯)，由于矩形配光在單個LED光學元件上已完成，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，通過調整弧面可以在道路方向上產生近乎于矩形光型。

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，分別設計各組的LED投射方向負責照射各自區域，較為簡單的方式是采用V字型面方式。在多折面式配光設計時，路燈中各組的大功率LED分別安裝在不同平面上，通過調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，滿足道路照明標準中的要求。圖7(c)為多折面式LED路燈示意圖。

(4)反光杯式配光

通過LED反射器的設計來獲得路燈燈光的輸出特性。為單個LED單獨設計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，設計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準要求，該技術或方案具有良好的使用價值。上述配光各有優缺點，如表2所示。一種LED路燈配光方案往往需要進行多次配光的組合和反復設計，以達到道路照明的標準。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瓦至數瓦、光效為90~100lm/W的產品，通過多粒陣列混聯方式來達到總體功率要求，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整體應用自由曲面光學元件(透鏡或反光杯)進行二次配光，以達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，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計、加工難度;保證了路面均勻度、照度、光型;便于整體設計。

因此該方案具有良好的研究前景。

3 小結

LED路燈配光設計是LED道路照明應用的關鍵之一。本文主要分析了LED路燈的配光方案，對各方案的優缺點進行了比較，認為基于自由曲面光學元件的配光設計方案具有良好的發展前景。LED路燈的配光在LED道路照明中具有重要意義。隨著LED技術的不斷發展，LED路燈應用于道路照明的前景將更加廣闊。