基于自由曲面光學(xué)元件的LED路燈配光方案

標(biāo)簽：LED 照明 光源

引言

led(LightEmittingDiode)是21世紀(jì)具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型固體光源，與傳統(tǒng)光源相比具有體積小、壽命長(zhǎng)、能耗低、控制靈活等優(yōu)勢(shì)。在道路照明中，隨著白光LED技術(shù)的發(fā)展，單粒LED的光通量不斷提高，LED取代傳統(tǒng)光源用于LED路燈將成為趨勢(shì)。光源在空間各個(gè)方向的光強(qiáng)分布即為配光。LED路燈配光是使光線盡可能投射到被照路面各個(gè)區(qū)域，獲得符合道路照明要求的光分布，LED路燈配光設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確到位是其能否替代傳統(tǒng)路燈的關(guān)鍵因素之一。研究LED路燈配光對(duì)今后LED道路照明的系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究具有重要意義。

1 LED路燈配光的特點(diǎn)和要求

1.1 LED路燈配光形狀特點(diǎn)

在道路照明中，如果沒(méi)有對(duì)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(huì)有部分光散落到路面之外而沒(méi)有被利用，如圖1(a)所示。

為了滿足對(duì)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(fèi)，通常需要對(duì)LED路燈進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)配光要求

根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》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(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 道路照明標(biāo)準(zhǔn)值目前的LED路燈研究主要集中在次干路和支路上的應(yīng)用，光通量小是LED路燈不能應(yīng)用在主干路上的主要原因。在主干路上的應(yīng)用還有待LED技術(shù)的研究和發(fā)展。

表1 道路照明標(biāo)準(zhǔn)值

1.3 LED路燈的配光曲線

發(fā)光強(qiáng)度的空間分布通常稱為配光曲線。在路燈的下方，光強(qiáng)應(yīng)是最小，隨著仰角θ增加，光強(qiáng)I增加。函數(shù)關(guān)系為：

即配光曲線表達(dá)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(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜性，配光形狀難以完全符合函數(shù)關(guān)系，可以減小θ角的投射范圍，減少燈具的間距來(lái)得到均勻照度。一般來(lái)說(shuō)，希望在配光后能實(shí)現(xiàn)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(chǔ)上進(jìn)行，同時(shí)要考慮控制眩光和考慮環(huán)境系數(shù)。對(duì)道路照明來(lái)說(shuō)，光效和配光曲線是兩個(gè)重要參數(shù)，目前LED路燈配光的方案主要有以下基本形式。

2.1 LED路燈的一次配光

在功率型LED制造過(guò)程中，封裝時(shí)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(guān)系。通過(guò)良好的封裝透鏡的設(shè)計(jì)，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(qiáng)輸出曲線改造成“蝙蝠翼”形，以便進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整個(gè)路燈整體光強(qiáng)輸出曲線的“蝙蝠翼”形配光。雙頭透鏡一次配光結(jié)構(gòu)和配光曲線如圖3(a)和圖3(b)所示，該透鏡的設(shè)計(jì)成為其一次配光核心。

圖3 雙頭透鏡封裝的LED配光結(jié)構(gòu)和配光曲線示意圖

2.2 LED路燈的二次配光

對(duì)LED路燈中的大功率LED采用透鏡或反光器進(jìn)一步改變輸出光特性，即為L(zhǎng)ED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(duì)光密介質(zhì)射向相對(duì)光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)可發(fā)生全反射，利用這一原理設(shè)計(jì)軸對(duì)稱全反射透鏡。

例如，使得光束角改變?yōu)?plusmn;30°范圍內(nèi)，有利于進(jìn)一步的配光設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)中，采用了XY軸方向上非對(duì)稱長(zhǎng)方形配光的自由曲面光學(xué)元件。例如，在X軸上產(chǎn)生±60°的均勻分布的配光，滿足道路的長(zhǎng)度方向的照明要求，在Y軸上產(chǎn)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(shè)計(jì)中通過(guò)包括有微分方程法、多參數(shù)優(yōu)化法、多表面同時(shí)設(shè)計(jì)法和剪切法來(lái)獲得光源光線分布與照明目標(biāo)面光線分布匹配。自由曲面透鏡如圖5所示?！?/p>

圖4 全反射透鏡