大功率LED燈具的配光設(shè)計(jì)

公文禮

(陜西得瑞光電科技有限責(zé)任公司，西安 710075）

0 引言

大功率LED光源作為第四代光源應(yīng)用于照明領(lǐng)域所具有的顯著優(yōu)點(diǎn)以及白光LED技術(shù)的日臻成熟，使得LED照明進(jìn)入千家萬戶。節(jié)能、長壽、光照均勻、靈活方便、綠色環(huán)保的LED照明燈具將有著廣闊的前景。LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對節(jié)省城市建設(shè)資金，緩解用電矛盾，構(gòu)建節(jié)約型社會具有重大意義。然而大功率高亮度LED光源作為一個新技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用上還存在許多難題，特別是在城市照明領(lǐng)域，要使LED照明系統(tǒng)達(dá)到城市道路照明標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，除了要解決好燈具的散熱和電源驅(qū)動兩大技術(shù)難題外，更重要的是要解決好燈具的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)(見圖1），光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接決定了城市道路上光照的均勻性，決定了燈具在照度和亮度上能否滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，從而影響燈具的照明效果。

LED燈具的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在整個燈具開發(fā)設(shè)計(jì)中極為重要，在進(jìn)行LED燈具設(shè)計(jì)時，首先要明確燈具的應(yīng)用場合和種類，然后根據(jù)燈具的型號規(guī)格查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合市場上同型號規(guī)格的其他光源的燈具進(jìn)行綜合對比，從而初步確定燈具所要達(dá)到的各項(xiàng)技術(shù)性能要求，并制定完整的燈具開發(fā)方案尤其是燈具的配光方案。同時制定詳細(xì)的測試方法和驗(yàn)證方案。等開發(fā)完成后再進(jìn)行綜合論證，對論證評審中所發(fā)現(xiàn)的問題提出修改方案，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品由試制階段進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段，完成整個燈具的開發(fā)設(shè)計(jì)任務(wù)。

圖1 LED燈具的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖

1 根據(jù)燈具的使用環(huán)境確定燈具的色溫

目前大功率LED光源實(shí)現(xiàn)白光的方法有多種，其中相對成熟的技術(shù)是在GaN基藍(lán)光LED芯片上涂一層黃色熒光粉，一部分藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生黃綠光，與直接透過熒光粉的藍(lán)光混合產(chǎn)生白光，由于熒光粉技術(shù)的國際壟斷，導(dǎo)致大多數(shù)廠家的LED光源色溫不夠理想。加之不同地域的人對色溫的感受不同，所以在燈具設(shè)計(jì)時要根據(jù)燈具適用場合的不同來選擇不同色溫段的光源。一般情況下LED光源生產(chǎn)廠家在出廠時對光源進(jìn)行分段分檔，我們在訂貨時根據(jù)由CIE1960UCS推薦的色度坐標(biāo)ISO色溫線求取色溫(見圖2、圖3），提出符合自己需要的那一檔就可以了。光源的顯色指數(shù)是衡量光源顯現(xiàn)實(shí)照物體真實(shí)顏色能力的參數(shù)。不同色溫的光源會導(dǎo)致燈具的顯色指數(shù)不同。白光大致分為以下3個檔:

(1）暖色光:暖色光的色溫在3300 K以下，暖色光與白熾燈光色相近，紅光成分較多，給人以溫暖、健康、舒適的感覺，適用于家庭、住宅、宿舍、醫(yī)院、賓館等場所，或溫度比較低的地方。

(2）暖白光:又叫正白光，它的色溫在3300 K～5300 K之間。暖白光光線柔和，使人有愉快、舒適、安祥的感覺，適用于商店、醫(yī)院、辦公室、飯店、餐廳、候車室等場所。

(3）冷色光:又叫日光色，它的色溫在5300 K以上，光源接近自然光，有明亮的感覺，使人精力集中，適用于辦公室、會議室、教室、繪圖室、設(shè)計(jì)室、圖書館的閱覽室、展覽櫥窗等場所。

白熾燈的色溫一般在2700 K左右，日光燈的色溫在2700～6400 K之間、鈉燈的色溫在2000 K左右。

圖2 基于三原色的光譜分布圖

圖3 Osram公司LED光源的色溫分檔圖

2 確定燈具的總光通量

燈具的總光通量的計(jì)算是個相當(dāng)復(fù)雜的問題，它除了與光源的流明維持率有直接關(guān)系外，主要取決于燈具的反光罩、路面的反射系數(shù)以及燈具的效率和燈具的維護(hù)系數(shù)。

燈具效率是燈具輸出的總光通量與燈具內(nèi)所有光源發(fā)射出的總光通量之比，只有提高單顆光源的流明數(shù)才能提高整個燈具的效率。

維護(hù)系數(shù)是燈具在使用一定周期后，在規(guī)定表面上的平均照度與該燈具在相同條件下新安裝時在規(guī)定表面上所得到的平均照度之比。較高路面的反射系數(shù)可以適當(dāng)降低燈具的光通量。

眩光是在一個照明環(huán)境中，當(dāng)某光源或物體的亮度比眼睛已適應(yīng)的亮度大得多時，人就會有眩目或耀眼的感覺，眩光會造成不舒適或(和）可見度下降。尤其是LED路燈對行車安全非常重要。

照度均勻度:規(guī)定的照明表面上的最小照度與平均照度之比。單位面積功率:單位被照面積上所安裝燈具的功率，單位為W/m2。它是表征能耗的重要指標(biāo)。

燈具總光通量確定的原則是在盡可能低的總功率下達(dá)到較高的流明數(shù)，它除了與單顆光源的光通量有關(guān)系外，還與燈具的安裝距離、配光系統(tǒng)和維護(hù)系數(shù)有關(guān)。

由于光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性，加上LED光源是個新興產(chǎn)業(yè)，所以在計(jì)算時，除了理論計(jì)算外，還要參考傳統(tǒng)燈具的光通量和目前已有LED燈具的光通量。

燈具總光通量=單顆光源的有效光通量×光源數(shù)量×利用系數(shù)

其中，利用系數(shù)又和燈罩透光率和配光系統(tǒng)的光損有關(guān)系，一般，白玻璃的透光率為88%，PC的透光率為92%;配光系統(tǒng)采用透鏡時光損14%，采用反光罩時光損16%。

3 根據(jù)燈具的用途、種類選擇合適的LED光源

由于目前LED光源封裝結(jié)構(gòu)和功率大小的不同，在燈具設(shè)計(jì)時要根據(jù)應(yīng)用的場合和燈具自身的結(jié)構(gòu)來選擇合適的LED光源?，F(xiàn)有的LED光源按照封裝結(jié)構(gòu)的不同分為以下幾類。

3.1 小功率草帽型LED光源

一般要采用幾十到幾百顆Φ5～Φ10白光LED陣列式排布，直接插接在PCB板或者焊接在鋁基板上。光學(xué)設(shè)計(jì)就很簡單，也不存在散熱問題，例如，如圖5所示，一般應(yīng)用在1～5 W的家用球泡燈(見圖4）、15～20 W的管燈及草坪燈、地?zé)粢约靶盘枱舻取?/p>

圖4 支架LED型球泡燈

3.2 小功率貼片型LED光源

一般采用3528型或者6050型貼片(見圖5）封裝，采用回流焊焊接在鋁基板條上，主要在背光照明和條型熒光管燈上應(yīng)用較多。和小功率草帽型LED光源一樣，一般是直接出光，無法采用二次配光處理。

圖5 小功率LED貼片型

3.3 大功率基座(基板）型LED光源

這是目前應(yīng)用最多也最成熟的方案。主要用在一些高亮度需求的燈具上，如路燈、隧道燈、投光燈等。采用幾顆甚至多顆大功率基座型LED作為燈具光源，如圖6所示。

圖6 大功率基座型LED光源

這種光源是目前光效最好，性能較穩(wěn)定，也是功率最大應(yīng)用最成熟的光源，一般封裝成1 W和3 W的規(guī)格。受封裝工藝影響，它們的光強(qiáng)分布近似朗伯源的點(diǎn)光源(見圖7）或者蝙蝠翼型(見圖8）兩種模式，一般出光角度在60°～120°之間。

圖7 朗伯型出光的光源

圖8 蝙蝠翼型出光的光源

在進(jìn)行路燈等大型燈具設(shè)計(jì)時，如果還是簡單地匯集LED光源來做燈具照明，則無法真正利用LED冷光源的優(yōu)勢。必須通過二次光學(xué)設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。由于目前大功率LED的發(fā)光角度受限，半光強(qiáng)角度最大的也只能到140度，多顆組合后，雖然照度可以滿足要求，但很難達(dá)到國家照明標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的路面均勻性要求。在做路燈等大功率照明燈具時，必須配套專門設(shè)計(jì)的透鏡(見圖9）或者反光罩進(jìn)行二次光學(xué)處理。

圖9 花生型路燈專用透鏡

3.4 多芯片集成型光源

如圖10所示，多芯片集成型LED光源是在單位面積內(nèi)將數(shù)顆芯片集成封裝，芯片間通過不同的串并聯(lián)組合，可以實(shí)現(xiàn)各種不同的額定電壓和電流，更好地適應(yīng)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)，提高整體發(fā)光效能，降低成本。由于多點(diǎn)發(fā)光，二次光學(xué)設(shè)計(jì)的難度大。光學(xué)系統(tǒng)及燈具結(jié)構(gòu)可以借鑒老式路燈的外殼，反光罩也可以采用高壓鈉燈稍做修改即可使用。

圖10 一種多芯片集成LED光源

4 確定比較理想的配光方案

配光曲線是表示燈具或光源發(fā)射出的光在空間中光強(qiáng)的分布情況。它可以反映出燈具的光通量、光源數(shù)量、功率、功率因數(shù)、燈具尺寸、燈具效率等信息。

照明燈具的光強(qiáng)分布是利用燈具的反光罩、透光棱鏡、格柵或反光罩控制燈光實(shí)現(xiàn)的。反射罩是燈具的基本控光部件，它的反射比越高，反射越強(qiáng)，控光能力越顯著。陽極氧化或拋光氧化鋁、不銹鋼板是常用的鏡面反射材料。按照規(guī)則反射定律對鋁反射罩的幾何形狀、尺寸進(jìn)行周密設(shè)計(jì)，安裝時注意光源精確定位，便能獲得各種需要的光分布。

由配光可以估算出燈具的照射范圍，照射方向，有效安裝高度、射程(當(dāng)然跟光源有關(guān)系），照射范圍內(nèi)的照度。

5 根據(jù)燈具的實(shí)際工況進(jìn)行分析，建立燈具的光學(xué)數(shù)學(xué)模型(以雙向四車道城市主干道路燈為例）

在進(jìn)行路燈設(shè)計(jì)時，為了滿足城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的道路照明燈具大多采用耗電200 W以上的高壓鈉燈，雖然LED的光學(xué)效率已經(jīng)超過了100 lm/W，用LED作光源的路燈，其耗電量將會大大減少。由于LED的超長壽命、不含汞和節(jié)能的特性，采用LED作光源的路燈來取代傳統(tǒng)的LPS(低壓鈉燈）或MH(金屬鹵化物燈）是很好的選擇。

由于市場上的LED大部分都是呈朗伯型(Lambertian）范圍的，這樣就會給遠(yuǎn)處的車輛或行人造成眩光。中心光強(qiáng)比較強(qiáng)，而且是對稱的圓形光斑分布，不能直接用于道路照明。為了滿足城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，LED路燈需要進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，以產(chǎn)生一個長方形、均勻分布的光斑，其配光曲線需要呈蝙蝠翼的形狀。另外，光學(xué)設(shè)計(jì)的好壞直接決定LED路燈的效率，設(shè)計(jì)不好的LED路燈加上了二次透鏡之后，有些光在透鏡里面多次反射后損耗掉了或者是不能射到有效的區(qū)域，有些二次透鏡雖然光斑形狀和均勻度都可以，但出光效率卻降低了將近一半。還有，光學(xué)設(shè)計(jì)的好壞也決定了LED路燈有無眩光，有的設(shè)計(jì)得不好的透鏡，雖然也可以產(chǎn)生一個長方形、均勻分布的光斑，配光曲線也可以呈蝙蝠翼，但由于沒有采用截光設(shè)計(jì)，導(dǎo)致沿道路方向造成了光損失和光污染;好的光學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)充分利用LED光源面積小這一優(yōu)點(diǎn)，充分考慮光的利用率，將所有從LED芯片發(fā)出的光都分配到路面上，形成一個均勻度好、無眩光、配光曲線呈蝙蝠翼的光斑。

由于道路照明方面要求路燈的光斑是長方形，在垂直于道路的路寬方向，其出射的光束是會聚的，而沿著道路的路長方向，其出射光束是發(fā)散的，并且有一個很大的視角。對于這種一個方向是會聚而另一個方向是發(fā)散的配光，那么所對應(yīng)的透鏡，其在垂直于道路方向的剖面應(yīng)該是個正透鏡，而沿著道路的方向的剖面應(yīng)該是個負(fù)透鏡，所以透鏡的整體可以用一個不規(guī)則的自由曲面來表述。

在進(jìn)行路燈的光學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算時要遵循和利用光學(xué)基本規(guī)律:利用光的獨(dú)立傳播定律，光傳播時，光路之間互不干涉，互不影響;直線傳播定律以及光的可逆性;反射定律，合理利用反射光，盡量避免燈具的光二次反射;折射定律，光線折射會引起理論數(shù)據(jù)的偏差?？梢岳脤?qiáng)光發(fā)散，將弱光聚合處理;在透鏡和燈具內(nèi)避免光的全反射。

5.1 確定燈具使用環(huán)境，即路燈使用在四車道主干道時的實(shí)際情況如下

根據(jù)城市道路照明標(biāo)準(zhǔn)，道路按快速路、主干路、次干路、支路以及居住區(qū)分為五級。燈具的配置方式為平面對稱布置。采用普通截光型路燈，按平面對稱式配置燈具的高桿燈，其間距和高度之比以3∶1為宜。

進(jìn)一步分析實(shí)際路況為四車道(見圖11），主干道路寬12 m，雙向分流，每側(cè)人行道寬3 m，路燈雙向?qū)ΨQ布燈，路燈間距30 m，燈桿高10 m。

圖11 雙向四車道路面信息及布燈間距

首先根據(jù)路燈使用環(huán)境因素提供的參數(shù)，即燈桿高10 m，布燈間距30 m，計(jì)算路長方向的出光角度(見圖12）。

圖12 根據(jù)道路情況計(jì)算的路長方向的出光角度

5.2 根據(jù)路況數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)路寬12 m和人行道3 m確定路寬方向的出光角度，由于路燈安裝時一般要仰角5～15°(見圖13），所以以此利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算路寬方向的數(shù)學(xué)模型。

圖13 根據(jù)道路情況計(jì)算的路寬方向的出光角度

通過上述的計(jì)算，我們就得到一個理論上的該燈的配光曲線，其理想的配光曲線圖如下:

由于LED光源為單向性的面發(fā)光，且各個廠家技術(shù)不同，一般發(fā)光最大角度只能做到140°，我們稱之為半光強(qiáng)角(見圖14），140°以外的光一般很弱，光色也不穩(wěn)定。所以燈具設(shè)計(jì)時要充分利用這一特性，盡可能地將中心的強(qiáng)光向外側(cè)發(fā)散，而將140°～180°的側(cè)光向內(nèi)側(cè)收攏利用，不要讓這部分光浪費(fèi)。

圖14 LED光源的半光強(qiáng)發(fā)光特性

5.3 透鏡配光思路

我們在設(shè)計(jì)透鏡配光時要注意這點(diǎn)，首先根據(jù)前面計(jì)算的最大出光角度(見圖15、圖16）確定透鏡的邊緣最大引導(dǎo)光線，從而利用計(jì)算機(jī)模擬透鏡側(cè)面的曲率半徑，再計(jì)算中心的發(fā)散區(qū)域的曲率半徑。

根據(jù)我們計(jì)算的路寬方向的數(shù)學(xué)模型，我們得知，路寬方向的透鏡結(jié)構(gòu)應(yīng)該采用偏光設(shè)計(jì)，將人行道方向的多余的光向路中心處理。透鏡兩側(cè)的曲率半徑要根據(jù)之前的數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算。

圖15 根據(jù)路長方向確定的出光角度分析透鏡縱向模型

圖16 根據(jù)路寬方向確定的出光角度分析透鏡橫向模型

5.4 反光罩配光思路

利用反光罩配光設(shè)計(jì)時思路和透鏡設(shè)計(jì)的思路一致，根據(jù)最大出光角度確定反光罩的開口大小和高度H(見圖17）。

圖17 根據(jù)路長方向確定的出光角度分析反光罩配光模式的縱向結(jié)構(gòu)

同樣，路寬方向的設(shè)計(jì)也要進(jìn)行偏光設(shè)計(jì)(見圖18），以有效利用LED光源發(fā)出的所有光。

圖18 根據(jù)路寬方向確定的出光角度分析反光罩的橫向結(jié)構(gòu)

5.5 無配光系統(tǒng)的燈具思路

如果采取無配光系統(tǒng)的路燈設(shè)計(jì)方案(見圖19），我們可以直接利用光源自身的優(yōu)勢，一般要選用出光角度大的并且出光均勻，光色穩(wěn)定的光源，一般要利用光源間的空間角度互補(bǔ)來處理路面光色的不均勻。

進(jìn)行燈具設(shè)計(jì)時，要注意光源中心光線間的角度Q，Q值要結(jié)合光源自身的出光角度，光源的出光角度越大，Q值相應(yīng)要取小。

圖19 無二次配光系統(tǒng)的LED燈具的光源布置結(jié)構(gòu)圖

5.6 透鏡和反光罩結(jié)合設(shè)計(jì)的的LED燈具的配光思路

有時候我們在設(shè)計(jì)諸如投光燈等特殊燈具時，單靠透鏡或者反光罩是無法達(dá)到理想的效果，這時，可以將兩者結(jié)合起來使用，以取得更好的照明效果。這時可以采用凹透鏡或者凸透鏡，反光罩可以采用拋物線，設(shè)計(jì)時注意掌握透鏡和拋物線的焦距就可計(jì)算出光路分析(見圖20）。

圖20 透鏡和反光罩結(jié)合設(shè)計(jì)的的LED燈具的配光圖

5.7 驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型，出工程圖

配光系統(tǒng)和方案確立后，根據(jù)取得的理論數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)圖(見圖21～圖23），我們就可以利用光學(xué)軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證，根據(jù)模擬的空間環(huán)境可以展現(xiàn)光學(xué)效果。下面介紹幾種光學(xué)設(shè)計(jì)軟件:

ZEMAX是美國焦點(diǎn)軟件公司的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計(jì)與照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射、折射、繞射等光學(xué)模型，并結(jié)合優(yōu)化、公差等分析功能，版本等級有SE:標(biāo)準(zhǔn)版，XE:完整版，EE:專業(yè)版(可運(yùn)算Non-Sequential）。

TracePro是一套普遍用于照明系統(tǒng)、光學(xué)分析、輻射分析及光度分析的光線仿真軟件。是第一套結(jié)合真實(shí)固體模型、強(qiáng)大光學(xué)分析功能、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)的仿真軟件。TracePro多變化的應(yīng)用領(lǐng)域包括:照明(Illumination）、導(dǎo)光管(Light Pipes）、薄膜光學(xué)(Tissue Optics）、光機(jī)設(shè)計(jì)(Optomechanical Design）、雜散光和激光泵浦。

圖21 根據(jù)取得的數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)利用計(jì)算機(jī)軟件制三維結(jié)構(gòu)圖

圖22 用計(jì)算機(jī)生成的透鏡模組工程圖

圖23 加工后的透鏡模組樣件

5.8 樣機(jī)組裝，照明效果測試

通過燈具裝配后按實(shí)際道路要求進(jìn)行測試，可對燈具的照射范圍，路面均勻度、色溫等一系列指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)測試，與最初理論數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，找出不符合的原因并及時修正再反復(fù)測試，這樣最終就可使燈具達(dá)到理想的照明效果。

6 小結(jié)

通過對LED燈具配光系統(tǒng)的分析和城市道路照明燈具光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)思路的了解，說明在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，只有通過對LED光源的合理選型和燈具二次配光的有效設(shè)計(jì)，才有可能設(shè)計(jì)出符合道路工況的理想的LED燈具。同時也說明了燈具設(shè)計(jì)尤其是大型燈具時我們不能單純利用LED自身的光學(xué)結(jié)構(gòu)，必須通過燈具的二次光學(xué)處理才能使燈具達(dá)到比較理想的光學(xué)效果。