基于自由曲面光学元件的LED路灯配光方案

    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。

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