大功率LED路燈的配光設(shè)計方案

　　1 前言

　　當前，大功率LED 路燈發(fā)光效率高(>80 lm/W)、使用壽命長(> 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污染等特點，比傳統(tǒng)道路照明節(jié)能30%以上，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

　　(1) 道路照明對路燈光輸出的要求

　　較早時期的大功率LED路燈只是模仿以高壓鈉燈為主的道路照明燈具的形式，通過利用LED 來替代常用的高壓鈉燈光源，結(jié)構(gòu)非常簡單。一般直接選用常規(guī)的路燈外殼、結(jié)構(gòu)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 簡單地等距離排列，并通過LED 陣列混聯(lián)的方式來獲得較大的燈功率輸出和較強的光輸出。由于沒有針對LED 的出光特點和道路照明標準來進行LED 路燈的二次、三次配光設(shè)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有光的平滑疊加過渡而形成明顯的暗區(qū)——斑馬效應;在道路垂直方向上散落在道路邊外而沒有被利用的光較多，無法滿足道路照明對路燈光輸出特性的要求。

　　為了滿足對路面亮度和路面照度的要求，路燈的光強輸出曲線沿著道路方向必須是“蝙蝠翼”型的，在垂直于道路方向上滿足均勻度的要求。路燈的光輸出配光應該像圖2 所示，為長方形的均勻光斑，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。

?

?

　　(2) 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(shè)備，是為了保障夜間道路交通安全而設(shè)置的，其光輸出特性必須要滿足夜間汽車駕駛?cè)藛T及行人的視覺分辨要求，因此LED路燈的配光方案就是要在道路照明要求的基礎(chǔ)上從單個的LED 配光著手來進行。

　　1.1 LED 的光輸出特性

　　隨著LED 技術(shù)的快速進步，性能指標有了顯著的提高。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(jù)使用要求的不同，以單片封裝的功率來區(qū)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區(qū)分，主要有：朗伯型、側(cè)發(fā)光型、蝙蝠翼型、聚光型(準直)等類型，輸出的特性曲線如圖3 所示。

?

　　目前，功率型白光LED 正在朝著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(shè)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(shè)計、使用環(huán)境、散熱條件、與驅(qū)動控制器的輸出特性配合等諸多問題，因此綜合以上多種因素，以及實際的應用，路燈中選擇LED 的主流趨勢是：單個LED 的功率在1 瓦至數(shù)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(shè)計的最佳選擇。在路燈的功率上，通過多顆陣列混聯(lián)的方式來得要求的總的發(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，必須通過再次的配光設(shè)計來獲得滿足道路照明要求的燈光輸出特性。

　　1.2 LED 的配光方案

　?、貺ED 的一次配光方案

　　在功率型LED 的制造過程中，為了提高光效率、減少光輸出損失和改變光輸出特性，封裝時均采用透鏡工藝。由此可以考慮將LED 的封裝透鏡工藝與道路照明需要的光輸出特性相結(jié)合來形成大功率LED的一次配光方案。通過特殊設(shè)計的透鏡，可以直接獲得需要的光輸出特性，并由此來疊加合成大功率LED 路燈總的光輸出，使其滿足道路照明的要求。

　　●斜射矩形透鏡封裝的LED 配光

　　采用斜射矩形透鏡封裝配光的原理及光輸出模擬(參見圖4)。主要研究結(jié)論是：

?

　　特別設(shè)計的LED 封裝透鏡為頂部倒圓角的矩形，矩形面呈圓弧狀，與水平面保持一定的設(shè)計角度，使得其對LED 芯片的光輸出方向發(fā)生可控的改變。按照通常的路燈安裝原則，燈距約為燈高的3 倍。通過計算，燈的光輸出角在C0/C180 方向上約為140°，在C90/C270 方向上約為80°，仰角約為10°，可以獲得滿意的道路光照效果。