大功率LED路燈的配光方案

　?、趫A柱面式配光

　　很顯然，除了LED 單元通過(guò)改造后輸出的光特性滿(mǎn)足道路照明要求的蝙蝠翼型，能夠采用平面形燈配光。其它特性的LED 光輸出都需要進(jìn)行路燈的二、三次配光設計才行。圖9 給出了采用圓柱面式配光的示意。從圖9 中可見(jiàn)：采用窄輸出角的LED 單元，如前面提及的±30°范圍角的全反射透鏡，燈中的LED 單元安裝排列為一圓柱弧形，使燈在弧面方向形成±60°的配光。根據不同的燈的安裝高度、與水平面的仰角以及燈與燈之間的距離，通過(guò)調整圓弧的曲率、改變圓弧方向上LED 的排列密度，在道路上可以獲得的照明效果為一沿道路方向近似的矩形面，能得到滿(mǎn)意的道路照明效果。

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　　在路燈的實(shí)際應用中，采用圓柱排列安裝配光存在的問(wèn)題是：?jiǎn)蝹€(gè)LED 的散熱平面與安裝的圓弧面的結合不好，需要特別處理（如處理成多棱柱型）。這樣就增加了路燈的散熱器以及外殼制造的工藝難度，且成品燈體的厚度也較大。為此可以采用另一種多折面的配光方式來(lái)解決上述問(wèn)題。較簡(jiǎn)單的方式是采用V字型面方式，但照射效果和出光均勻度有限；效果較好的是采用圖10 給出的多折面式配光設計所獲得的道路照明方案。路燈中的每組大功率LED 單元分別安裝在不同的平面上，通過(guò)相對的不同角度來(lái)合成路燈的光輸出特性，即通過(guò)調整各自的角度和LED 單元的排列密度，在道路上獲得近似矩型面的照明效果，能夠滿(mǎn)足照明設計標準中的亮度均勻度和照度等的要求。

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　　在傳統的以高壓鈉燈為主流的道路照明燈具中，利用反光器來(lái)改變光輸出特性是一種必需的配光方式。

　　在LED 照明中，有一種觀(guān)點(diǎn)認為：由于LED 具有光輸出定向性好的特點(diǎn)，可以少用甚至取消反射器。但是在大功率LED 路燈的設計中，為了更充分的利用LED 的周邊泄漏光線(xiàn)、改變LED 的光輸出特性，反射器的應用與單個(gè)的LED 配光進(jìn)行了很好的結合，通過(guò)具有特色的LED反射器的設計來(lái)獲得滿(mǎn)意的路燈燈光的輸出特性。

　　圖11 給出了特殊設計采用反射器的路燈三次配光原理。與燈的設計相結合，采用大角度出光的功率LED，并為每個(gè)LED 單獨設計XY 軸方向非對稱(chēng)的反射器，使其獲得的光輸出接近于蝙蝠翼型，減少了由于透鏡的引入而導致的光輸出損失，同樣可以得到較為滿(mǎn)意的道路照明效果。

　　1.4 路燈的配光組合及存在的問(wèn)題

　　無(wú)論是采用何種技術(shù)手段，單從大功率LED 路燈配光的角度來(lái)說(shuō)，其光輸出特性必須滿(mǎn)足夜間道路照明的標準要求才具有良好的實(shí)用的價(jià)值。從LED 的配光開(kāi)始，一個(gè)滿(mǎn)足道路設計標準、具有良好光輸出特性L(fǎng)ED 路燈的配光必須經(jīng)過(guò)多次反復設計才行。下面列出了主要的幾種路燈配光組合方案。

　?、貺ED 一次配光（透鏡封裝）+燈具的二次配光

　　此種組合方案是采用LED芯片封裝透鏡的一次配光與燈具的二次配光結合。其優(yōu)點(diǎn)是：由于LED 的成品器件已經(jīng)形成了具有矩型的光輸出照明效果，在燈具的配光中就可以采用簡(jiǎn)單的平面配光形式，簡(jiǎn)化了燈具的設計和加工工藝的難度，使得燈具的體積相對較小，具有扁平、輕薄、外形秀氣等特點(diǎn)，并且由于減少了燈總體的配光次數，即減少了LED 輸出的光損失，提高了燈具的效率；不足之處是：在LED 芯片封裝時(shí)需要采用特殊加工的封裝透鏡和工藝，通用性相對較差，且需要與上游的芯片封裝廠(chǎng)商協(xié)調，并且由于數量的關(guān)系，可能價(jià)格較高，操作起來(lái)比較困難。

　?、贚ED 的二次配光單元＋燈具的三次配光

　　相對于①中的配光方案，采用LED 二次配光所形成的LED 單元與燈的三次配光相結合，主要優(yōu)點(diǎn)是：

　　可以直接選用市場(chǎng)上大量提供的LED 器件，具有價(jià)格優(yōu)勢且通用性好。通過(guò)二次透鏡的設計來(lái)獲得滿(mǎn)意的LED 單元的光輸出特性，并且在燈的配光中還可以進(jìn)一步采用三次配光的方式來(lái)獲得理想的光輸出特性；不足之處是：常用材料為PMMA，透鏡的效率只有86%左右，LED 二次配光的二次透鏡的應用降低了LED 的光輸出，降低了燈具的總體效率。此外，燈具需要采用三次配光設計，也增加了燈具的結構設計和加工工藝的難度，使得燈具的體積相對較大、用料較費、造價(jià)提高。

　?、跮ED 路燈的反射器配光

　　反射器的效率高達90%以上。利用前文所提及的反射器式配光方式（參見(jiàn)圖11），在LED 路燈配光上只采用特殊設計的、非對稱(chēng)的反射器來(lái)給LED 進(jìn)行二次配光，而不采用二次透鏡配光，避免了由透鏡引起的光輸出損失，也是一種被看好的配光方式，并且配有反射器的LED單元的光輸出特性也能夠接近道路照明要求，具有較好的效果。這種配光的突出優(yōu)點(diǎn)是路燈具有很高的光輸出效率。

　　3 結語(yǔ)

　　本文結合城市道路照明設計標準要求，從分析LED芯片的一次配光開(kāi)始，到由路燈所形成的二、三次配光為止，來(lái)研究大功率LED 封裝的一次配光和通過(guò)二次透鏡、反光器等所形成的二次配光的光輸出特性，以及由路燈所形成的三次配光的光輸出特性。

　　此外，雖然大功率白光LED 路燈具有許多得天獨厚的優(yōu)勢，且在小范圍內已經(jīng)得到了應用，但是離大規模的推廣還有一段較長(cháng)的路要走。其中路燈的光輸出特性與道路的要求不吻合是主要的問(wèn)題之一，有許多細節需要進(jìn)行深入的研究，要通過(guò)科學(xué)合理的配光設計來(lái)獲得既滿(mǎn)足道路照明要求，又具有良好應用效果的LED 燈具。

　1 前言

　　當前，以大功率LED 為發(fā)光光源專(zhuān)門(mén)設計的大功率LED 路燈層出不窮，其發(fā)光效率高（>80 lm/W）、使用壽命長(cháng)（＞ 50 000 h）、光輸出定向性好、顯色性能優(yōu)良（75~80）、可以選擇色溫以及綠色無(wú)污染等特點(diǎn)，不僅比傳統的以高壓鈉燈為光源的道路照明節能30%以上，而且能夠按照城市道路照明設計標準的要求，方便靈活地設計出合乎滿(mǎn)意要求的、路燈燈光輸出，具有很高的光利用效率，已發(fā)展成為極具競爭力的第四代優(yōu)質(zhì)道路照明光源。

　　2 路燈的配光方案

　?。?） 道路照明對路燈光輸出的要求

　　較早時(shí)期的大功率LED路燈只是模仿以高壓鈉燈為主的道路照明燈具的形式，通過(guò)利用LED 來(lái)替代常用的高壓鈉燈光源，結構非常簡(jiǎn)單。一般直接選用常規的路燈外殼、結構件及光輸出角度較大的功率LED作為發(fā)光器件，采用在兼有反光器和散熱器功能、背面有散熱鰭片的金屬平面上將LED 簡(jiǎn)單地等距離排列，并通過(guò)LED 陣列混聯(lián)的方式來(lái)獲得較大的燈功率輸出和較強的光輸出。由于沒(méi)有針對LED 的出光特點(diǎn)和道路照明標準來(lái)進(jìn)行LED 路燈的二次、三次配光設計，因此就如圖1 所示的那樣：路燈的光輸出在路面上形成一個(gè)圓形光斑，造成在道路方向上的照明角度有限，圓形光斑之間由于沒(méi)有光的平滑疊加過(guò)渡而形成明顯的暗區——斑馬效應；在道路垂直方向上散落在道路邊外而沒(méi)有被利用的光較多，無(wú)法滿(mǎn)足道路照明對路燈光輸出特性的要求。

　　為了滿(mǎn)足對路面亮度和路面照度的要求，路燈的光強輸出曲線(xiàn)沿著(zhù)道路方向必須是“蝙蝠翼”型的，在垂直于道路方向上滿(mǎn)足均勻度的要求。路燈的光輸出配光應該像圖2 所示，為長(cháng)方形的均勻光斑，使得絕大部分的光都分布在路面上，盡可能地提高燈光的利用效率，減少不必要的浪費。

　?。?） LED 及LED 路燈的配光方案

　　路燈是一種極為重要的功能性照明設備，是為了保障夜間道路交通安全而設置的，其光輸出特性必須要滿(mǎn)足夜間汽車(chē)駕駛人員及行人的視覺(jué)分辨要求，因此LED路燈的配光方案就是要在道路照明要求的基礎上從單個(gè)的LED 配光著(zhù)手來(lái)進(jìn)行。

　　1.1 LED 的光輸出特性

　　隨著(zhù)LED 技術(shù)的快速進(jìn)步，性能指標有了顯著(zhù)的提高。特別是作為第四代照明主流的大功率白光LED的性能有了很大的提高。依據使用要求的不同，以單片封裝的功率來(lái)區分：從1~10W 直到上百瓦、幾百瓦不等；從LED 封裝透鏡的配光輸出光強特性來(lái)區分，主要有：朗伯型、側發(fā)光型、蝙蝠翼型、聚光型（準直）等類(lèi)型，輸出的特性曲線(xiàn)如圖3 所示。

　　目前，功率型白光LED 正在朝著(zhù)單片大功率的方向發(fā)展，但是由于芯片散熱瓶頸的制約，采用多芯片組合封裝的單片超大功率LED 的散熱相對困難，光效相對較低，幾乎功率越大的單片LED 相對的光效就越低。在大功率LED 路燈的設計中，大功率LED 的選擇需要考慮一次封裝特性、發(fā)光效率、安裝工藝要求、二次三次配光設計、使用環(huán)境、散熱條件、與驅動(dòng)控制器的輸出特性配合等諸多問(wèn)題，因此綜合以上多種因素，以及實(shí)際的應用，路燈中選擇LED 的主流趨勢是：?jiǎn)蝹€(gè)LED 的功率在1 瓦至數瓦左右、顯色性好、色溫一致、光效90~100 lm/W 的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為設計的最佳選擇。在路燈的功率上，通過(guò)多顆陣列混聯(lián)的方式來(lái)得要求的總的發(fā)光功率；在光的輸出特性上，朗伯型、蝙蝠翼型和聚光型應用較多，但是一般都不能直接應用到路燈中去，必須通過(guò)再次的配光設計來(lái)獲得滿(mǎn)足道路照明要求的燈光輸出特性。