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。
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
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。
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。
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