【分享】基于自由曲面光学元件的LED路灯配光方案

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      引言
      led(LightEmittingDiode)是21世纪具有竞争力的新型固体光源，与传统光源相比具有体积小、寿命长、能耗低、控制灵活等优势。在道路照明中，随着白光LED技术的发展，单粒LED的光通量不断提高，LED取代传统光源用于LED路灯将成为趋势。光源在空间各个方向的光强分布即为配光。LED路灯配光是使光线尽可能投射到被照路面各个区域，获得符合道路照明要求的光分布，LED路灯配光设计是否准确到位是其能否替代传统路灯的关键因素之一。研究LED路灯配光对今后LED道路照明的系统设计研究具有重要意义。
     1 LED路灯配光的特点和要求
     1.1 LED路灯配光形状特点
     在道路照明中，如果没有对LED路灯光源配光，照射在路面上的光型为面积较大的圆形光斑，会有部分光散落到路面之外而没有被利用，如图1(a)所示。

     为了满足对路面的亮度、照度、均匀度的要求，且尽可能使得大部分光都分布在道路面上以提高灯光的利用率，减少不必要的浪费，通常需要对LED路灯进行配光，LED路灯输出的光线照射在路面上所形成的光型或光斑以矩形为佳，如图1(b)所示。
                                               

                                                                    图1 LED路灯配光示意图
      1.2 道路照明标准配光要求
根据《城市道路照明设计标准》要求，道路照明中道路分为快速路与主干路、次干路、支路，LED道路照明配光要求标准值应符合表1的规定。
表1 道路照明标准值目前的LED路灯研究主要集中在次干路和支路上的应用，光通量小是LED路灯不能应用在主干路上的主要原因。在主干路上的应用还有待LED技术的研究和发展。
                                                                  表1 道路照明标准值
                                                   

   
  1.3 LED路灯的配光曲线
      发光强度的空间分布通常称为配光曲线。在路灯的下方，光强应是最小，随着仰角θ增加，光强I增加。函数关系为：
                                                                             

      
       即配光曲线表达式。道路照明单一灯具的理想配光曲线示意图如图2所示。

       由于光学设计复杂性，配光形状难以完全符合函数关系，可以减小θ角的投射范围，减少灯具的间距来得到均匀照度。一般来说，希望在配光后能实现宽角度的“蝙蝠翼”形配光。
                                                                                                                                                                               图2 理想配光曲线

        2 LED路灯配光方案及分析
       LED路灯的配光方案在道路照明要求的基础上进行，同时要考虑控制眩光和考虑环境系数。对道路照明来说，光效和配光曲线是两个重要参数，  目前LED路灯配光的方案主要有以下基本形式。

      2.1 LED路灯的一次配光
      在功率型LED制造过程中，封装时采用透镜工艺可提高光效率、减少光输出损失、改变光输出特性，LED的封装透镜工艺与大功率的LED路灯照明一次配光有一定的关系。通过良好的封装透镜的设计，LED可以获得较好的光输出特性。

      采用双头透镜封装的LED配光，可以将单粒LED的光强输出曲线改造成“蝙蝠翼”形，以便进一步实现整个路灯整体光强输出曲线的“蝙蝠翼”形配光。双头透镜一次配光结构和配光曲线如图3(a)和图3(b)所示，该透镜的设计成为其一次配光核心。
                                                                                                                               图3 双头透镜封装的LED配光结构和配光曲线示意图
      2.2 LED路灯的二次配光

对LED路灯中的大功率LED采用透镜或反光器进一步改变输出光特性，即为LED路灯的二次配光。
LED路灯的二次配光主要有以下情况。

采用全反射透镜的LED二次配光。光由相对光密介质射向相对光疏介质，当入射角大于临界角时可发生全反射，利用这一原理设计轴对称全反射透镜。
例如，使得光束角改变为±30°范围内，有利于进一步的配光设计。全反射透镜如图4所示。

采用自由曲面透镜的LED二次配光。该设计中，采用了XY轴方向上非对称长方形配光的自由曲面光学元件。例如，在X轴上产生±60°的均匀分布的配光，满足道路的长度方向的照明要求，在Y轴上产生±30°均匀分布的配光，得到具有矩形光照效果的LED“蝙蝠翼”形配光。自由曲面设计中通过包括有微分方程法、多参数优化法、多表面同时设计法和剪切法来获得光源光线分布与照明目标面光线分布匹配。自由曲面透镜如图5所示。‖
                                                                                                                                                                                    图4 全反射透镜
                                                                                                                                   图5 自由曲面透镜
        采用外置透镜和反光器的LED二次配光。选择合适的透镜和抛物面的反光器，使出射光线满足一定的要求。外置透镜和反光器结合如图6所示。
                                                                                                                    图6 外置透镜和反光器的LED示意图
        2.3 LED路灯的三次配光
        LED路灯的三次配光是在大功率LED一、二次配光完成的基础上，通过对多个LED(单元模组)叠加和空间排列实现，以满足道路照明平均亮度、平均照度和均匀度的要求。三次配光有以下几种方式。

       (1)平面式配光
       LED路灯设计时采用XY方向非对称的矩形配光的自由曲面光学元件(透镜或反光杯)，由于矩形配光在单个LED光学元件上已完成，所以整个LED路灯只需将该LED模组排列在平板上即可。图7(a)为LED路灯的平面式配光示意。

       (2)弧面式配光
       多个LED排列组成一个LED模组，LED模组上的LED是采用轴对称的全反射的透镜或反光杯进行配光的，通过透镜或反光杯配光的辐射角宽度足以覆盖道路宽度。将LED模组排列在弧面上，如图7(b)所示，通过调整弧面可以在道路方向上产生近乎于矩形光型。
                                                                                                                       图7 LED路灯的三次配光示意图
        (3)多折面式配光

         LED光线具有良好的方向性，为获得较好的道路配光，分别设计各组的LED投射方向负责照射各自区域，较为简单的方式是采用V字型面方式。在多折面式配光设计时，路灯中各组的大功率LED分别安装在不同平面上，通过调整各组相对角度来获得路灯的光输出特性和近似矩形照明效果，满足道路照明标准中的要求。图7(c)为多折面式LED路灯示意图。

        (4)反光杯式配光
        通过LED反射器的设计来获得路灯灯光的输出特性。为单个LED单独设计XY轴方向非对称的反射器，此方案类似于平面式配光，不同的是使用自由曲面反光器，使其获得光输出接近于“蝙蝠翼”形，设计多个反射器并排列同样可以得到较好的道路照明效果。
        2.4 LED路灯配光方案分析
        无论采取何种技术手段或方案，就LED路灯配光来说，其光输出特性满足夜间道路照明标准要求，该技术或方案具有良好的使用价值。上述配光各有优缺点，如表2所示。一种LED路灯配光方案往往需要进行多次配光的组合和反复设计，以达到道路照明的标准。如LED一次配光(透镜封装)和灯具的二次配光的组合、LED的二次配光单元和灯具的三次配光的组合、LED路灯的反射器二次配光等。
                                                 表2 配光方案的对比
                                    

        目前，功率型白光LED正朝着单片大功率的方向发展，由于芯片散热瓶颈制约，采用多芯片组合封装的单片大功率LED的散热相对困难，光效相对较低。

       所以，综合考虑封装、散热、光效、显色等因素，通常选择单个LED功率在1瓦至数瓦、光效为90~100lm/W的产品，通过多粒阵列混联方式来达到总体功率要求，LED路灯配光方面则通过在同一平面合理排列具有较好一次配光的LED,并对该平面的LED整体应用自由曲面光学元件(透镜或反光杯)进行二次配光，以达到道路照明配光要求。该方案减少了LED路灯总体的配光次数，即减少了LED输出光的损失，提高了灯具的效率;简化了灯具的相对设计、加工难度;保证了路面均匀度、照度、光型;便于整体设计。
因此该方案具有良好的研究前景。

       3 小结
       LED路灯配光设计是LED道路照明应用的关键之一。本文主要分析了LED路灯的配光方案，对各方案的优缺点进行了比较，认为基于自由曲面光学元件的配光设计方案具有良好的发展前景。LED路灯的配光在LED道路照明中具有重要意义。随着LED技术的不断发展，LED路灯应用于道路照明的前景将更加广阔。                                                                                                

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