LED路燈反光碗式和透鏡式的二次光學(xué)

　　led照明將先在道路照明中廣泛應(yīng)用，這樣的推斷是基于LED的長壽命、高效率、光線利用率高等特點(diǎn)。很多人對(duì)LED在道路照明中的應(yīng)用已經(jīng)作了很多嘗試，但是不難看到這兩三年來LED路燈并沒有得到很好的發(fā)展，究其原因在于：成本高、壽命短、照明效果差（均勻性差）。值得慶幸的是上游產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，LED芯片光效的提升和價(jià)格的降低，都使LED道路照明越來越近，專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)也使得照明效果有很大提升，也有更多的廠家在作這樣的嘗試，本文提出一個(gè)新的光學(xué)解決方案——獨(dú)立單元的反光器，旨在為人們尋求一種新的LED道路照明解決方案。

　　與透鏡相比，反光器的特點(diǎn)在于：成本低、效率高、裝配容易。

　　常見透鏡材料為PMMA，目前的技術(shù)PMMA材料的透射率只有94%，制作成透鏡后由于折返射的效果，通常會(huì)有更多的額外光損失，以以下實(shí)例說明：

　　設(shè)置了一光源，產(chǎn)生50000條光線：

　　未有PMMA透光板時(shí)，效率為100%，現(xiàn)在在正前方設(shè)置一理想狀態(tài)PMMA透明平板：

效率變?yōu)?4.337%。

（注：圖中出現(xiàn)16808Rays是因?yàn)橐桓饩€經(jīng)過PMMA與空氣的接口可能會(huì)同時(shí)發(fā)生折射和反射，因而增加了光線數(shù)量，但是從能量角度產(chǎn)生了一定損耗。）

　　若將PMMA材料制作成透鏡，則損耗更大，以下列舉市面上常見的PMMA材料透鏡為例（考慮到透鏡背部總有漏光現(xiàn)象，而實(shí)際上漏光是無法利用的，因此在系統(tǒng)背部設(shè)置了全吸收的基板，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性）：

透鏡外形圖：

光線經(jīng)過透鏡后的雜散光分析：

該透鏡效率實(shí)際只有86%

　　反光式光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)分析比較容易，經(jīng)過對(duì)光源的出光能量分布分析，通過再分配的方式設(shè)計(jì)道路照明適合的透鏡。

　　光源Lambertian出光模式（即常見的Lumileds、CREE、Edison LED），結(jié)合設(shè)計(jì)的反光器，出光的兩個(gè)角度分別為50度和120度，即路燈放置于10米桿高可以在地面形成約12×30米的均勻光斑，根據(jù)照度需求增加/刪減單元個(gè)數(shù)。

　　1、光線軌跡：

　　2、單顆1W照明效果圖（照度分布）：

　　3、以下是模擬一段道路的照明效果：

　　道路為15米寬，采用對(duì)稱式部燈，10米桿高，32米桿距，燈具安裝角度為5度，懸臂長1.5米。馬路表面照度均勻，90%光線集中于馬路上，路邊照度逐步遞減，沒有硬光邊，不會(huì)引起駕駛?cè)藛T的視覺不適。

　　效率分析：

　　經(jīng)反光系統(tǒng)的照射光線分為“直接光線”和“反射光線”，即部分光線無需通過反光壁直接散射，而另外一部分光則經(jīng)過反光壁照射到相應(yīng)的位置。

　　將反射壁設(shè)置為“Perfect Absorber”，然后根據(jù)出射效率即可以得到有多少光線不需要經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)直接照射：

　　由此可見：該光學(xué)系統(tǒng)中有41.88%的光是直接照射，不需經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，即能量損失為0，另有58.12%的光需要經(jīng)過反射壁反射，反射效率取決于反射壁材料及加工工藝。通過鍍?cè)鰪?qiáng)鋁膜或者銀模，反射效率可以達(dá)到90%以上，因此反光系統(tǒng)效率可以達(dá)到并超過以下數(shù)值：

41.88%+58.12%×90%=94.19%

　　遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于透鏡方式的86%的效率，即100lm的光我們可以利用到94.19～98.84lm。

　　該反光碗最大優(yōu)點(diǎn)是效率高，使用光源是常見的Lambertian出光模式的LED，單顆光源達(dá)到這樣的效果而不是排列組合，因此可以根據(jù)路燈功率需要增減LED數(shù)量。