LED路燈配光設(shè)計探討

黃 翔

(廣東省佛山市燊業(yè)光電有限公司，佛山52800）

0 引言

LED光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用，是半導(dǎo)體發(fā)光材料技術(shù)高速發(fā)展及“綠色照明”概念逐步深入人心的產(chǎn)物?！熬G色照明”是國外照明領(lǐng)域在上世紀(jì)80年代末提出的新概念，我國“綠色照明工程”的實施始于1996年。實現(xiàn)這一計劃的重要步驟就是要發(fā)展和推廣高效節(jié)能照明器具，節(jié)約照明用電，減少環(huán)境及光污染，建立一個優(yōu)質(zhì)高效，經(jīng)濟(jì)舒適，安全可靠，有益環(huán)境的照明系統(tǒng)。

以路燈為例具體分析如下:

路燈是城市照明的重要組成部分，傳統(tǒng)的路燈常采用高壓鈉燈。因此，開發(fā)新型高效、節(jié)能、壽命長、顯色指數(shù)高、環(huán)保的路燈對城市照明節(jié)能具有十分重要的意義。LED燈是繼白熾燈、熒光燈和高壓鈉燈等之后的第四代光源，具有高效、環(huán)保、節(jié)能、壽命長、顯色指數(shù)高等特性，是當(dāng)前全球最具發(fā)展前景的高新技術(shù)領(lǐng)域之一。雖然目前LED路燈的市場價是傳統(tǒng)燈的4倍，而且目前還沒有一個國家已經(jīng)制定出完整的國家級技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但一場全球范圍內(nèi)LED光源的技術(shù)革命已悄然展開。歐盟已立法要在2012年前全面禁止使用除LED燈(含達(dá)到環(huán)保節(jié)能要求的燈）以外的其他傳統(tǒng)燈;美國也正準(zhǔn)備立法(其中部分州市已立法）實施;韓國目前正計劃，利用5年時間將國內(nèi)10%的路燈換成LED路燈。我國科技部“十城萬盞”計劃:通過以LED在市政照明的應(yīng)用示范工程為載體，選擇10個城市，每個城市推廣應(yīng)用LED功能照明(路燈，隧道燈，地鐵、輕軌、加油站、地下停車場等功能照明燈）。LED路燈與常規(guī)高壓鈉燈路燈不同的是，LED路燈的光源采用低壓直流供電，可由GaN基功率型藍(lán)光LED與黃色熒光粉合成的高效白光二極管，具有高效、安全、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應(yīng)速度快、顯色指數(shù)高等獨特優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于城市道路照明。自去年以來，在國家節(jié)能政策的推動下，很多省市已將應(yīng)用LED路燈的事宜列入政府的議事日程并提出發(fā)展規(guī)劃，LED路燈的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用指日可待。LED照明的發(fā)展前景一片光明!

1 LED大型燈具的光學(xué)配光設(shè)計

LED與傳統(tǒng)的照明不同，它具有點光源、高亮度、窄光束輸出等特點。做LED路燈首先要考慮把有限的光通量充分地利用到有效的照射范圍，路燈要求的主要是路面照明效果。因此，有效地控制光線的分布范圍，使發(fā)光二級管發(fā)出的光成為一個長條形光帶沿路面方向鋪展，同時也要兼顧控制眩光的產(chǎn)生，是對LED新型燈具的設(shè)計人員提出的更高要求。LED射燈也有相似的狀況，用于不同的照明場合，需要不同的照明效果，這就為LED射燈的光學(xué)配光設(shè)計提出現(xiàn)實的需求。LED射燈設(shè)計人員，必須按照各種要求進(jìn)行相應(yīng)光學(xué)設(shè)計，以達(dá)到最優(yōu)化的組合。

以路燈為例，根據(jù)LED路燈配光形狀特點，在道路照明中，如果沒有對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，會有部分光散落到路面之外。為了滿足對路面的亮度、照度、均勻度的要求，且盡可能使得大部分光都分布在路面上以提高燈光的利用率，減少不必要的浪費，通常需要對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。反光杯蜂窩陣列的光學(xué)設(shè)計和整燈的二次光學(xué)配光設(shè)計，都圍繞以上的配光目標(biāo)進(jìn)行研究和開發(fā)，并成為整燈設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。

在滿足LED路燈配光設(shè)計的前提下，細(xì)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提升光能的利用效率，降低能量的內(nèi)部損耗，降低LED的光衰及延長LED燈具的使用壽命，也成為潛在品質(zhì)保證的技術(shù)關(guān)鍵。

使用計算機(jī)仿真技術(shù)，對反射曲面進(jìn)行求解，對各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。對設(shè)計的模型進(jìn)行實物樣品分析和評價，使用既有的配光測試設(shè)備進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)反饋到仿真模型中，并對仿真進(jìn)行修正。通過以上設(shè)計方法進(jìn)行逐步修正，在滿足設(shè)計要求條件下，進(jìn)行量產(chǎn)化評估。評估完成后，進(jìn)行相應(yīng)核心零件的開模及試量產(chǎn)。

1.1 LED反射曲面研究和分析

例如，一般120°出光角度的LED，配光圖形如圖1所示。

圖1 配光曲線

使用這樣的LED在沒有反射傘(反光杯）的情況下，在0.5 m的距離下對1 m×1 m的平面進(jìn)行照度模擬分析，分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 無反光杯的LED在0.5 m下方1 m×1 m平面上照度模擬結(jié)果

分析結(jié)果顯示，在分析區(qū)域內(nèi)，照度中心亮度高，周邊低，整體利用率低。單顆LED發(fā)出的光能只有60%照射在分析平面上。

為此設(shè)計反射傘，把沒有照射到分析面上的光線集中過來。目標(biāo)為:增加光線集中度，并達(dá)到在照射區(qū)域內(nèi)盡量平均。

圖3為使用簡單的六邊型反射面的反光杯，在完全相同測試條件下試驗達(dá)到的效果:

圖3 加六邊型反光杯的LED在0.5 m下方1 m×1 m平面上照度模擬結(jié)果

結(jié)果分析:光能利用率有明顯提高，但照射區(qū)域內(nèi)照度還不均勻。

圖4為使用兩組拋物面的四邊型反光杯，在完全相同測試條件下試驗達(dá)到的效果:

圖4 加四邊型反光杯的LED在0.5 m下方1 m×1 m平面上照度模擬結(jié)果

結(jié)果分析:光能利用率較高，照射區(qū)域為矩形，照射區(qū)域內(nèi)照度較均勻。

圖5為拋物線反光結(jié)構(gòu)，四邊型反光杯為X＆Y方向各一組拋物面的反光杯結(jié)構(gòu)。

1.2 LED路燈配光分析

(1）LED路燈配光形狀特點

在道路照明中，如果沒有對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，會有部分光散落到路面之外，如圖6(a）所示。

為了滿足對路面的亮度、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，通常需要對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6(b）所示。

圖5 LED反光杯模組陣列示意圖

圖6 LED路燈配光示意圖

(2）道路照明標(biāo)準(zhǔn)配光要求

根據(jù)LED路燈的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，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 LED道路照明行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

(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:

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7所示。

由于光學(xué)設(shè)計復(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，減少燈具的間距來得到均勻照度。一般來說，希望在配光后能實現(xiàn)寬角度的“蝙蝠翼”形配光。

圖7 理想配光曲線

(4）市面上主流LED路燈的配光分析

圖8 LED路燈的配光曲線

圖8中路燈一和路燈二為縱向?qū)ΨQ式配光，路燈三、四、五、六為縱向非對稱式配光。

在對稱式配光中:

1）路燈一的橫向配光效果好，但縱配光不足(較窄）。

2）路燈二的橫向配光效果差，但縱向配光較好。

在非對稱式配光中:

1）路燈三的的縱向和橫向配光的比較好，只是橫向遠(yuǎn)方的配光還稍不足。

2）路燈四的縱向配光好，但橫向配光太差。

3）路燈五的縱向和橫向配光都很差。

4）路燈六的的縱向配光好，但橫向配光太差。

(5）我們通過反光杯模組陣列，進(jìn)行弧面式配光(見圖9）設(shè)計。

圖9 弧面式示意圖

我們通過反光杯模組陣列，進(jìn)行弧面式配光設(shè)計的路燈配光效果如下。

圖10 80 W路燈配光圖

80 W路燈配光(見圖10）特點為縱向?qū)ΨQ式配光，橫向和縱向配光均勻，整體照度均勻性好。與同行業(yè)的路燈品質(zhì)比較，有較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢。

1.3 眩光分析

眩光是指照明設(shè)施產(chǎn)生的具有極高的亮度或強(qiáng)烈的對比時，在視場中造成視覺降低和人眼的不舒適感。

眩光的產(chǎn)生分直射和反射兩種，在燈具設(shè)計中以直射為重點分析對象。直射眩光是由于在觀察者正常視覺范圍內(nèi)出現(xiàn)過亮的光源而引起的。直射眩光的程度與發(fā)光體相對眼睛的位置、角度密切相關(guān)，角度越小，眩光現(xiàn)象越強(qiáng)，照射損失越大，如圖11所示。

圖11 眩光與發(fā)光體相對眼睛的位置和角度的關(guān)系圖

一般情況下燈具的最大光強(qiáng)方向和垂直夾角不宜超過65°，50%光強(qiáng)不超過70°度。我們利用LED的排列方式和位置的安排來控制眩光。根據(jù)80 W路燈配光曲線來看，80 W路燈最大光強(qiáng)方向和垂直夾角在45°左右，50%光強(qiáng)和垂直夾角不超過70°，滿足以上要求。而市面上的路燈(路燈三）的最大光強(qiáng)與垂直夾角超過70°，就有一定程度的眩光不良。

1.4 利用系數(shù)分析

利用系數(shù)是指道路計算面接受到的光通量占燈具輸出總光通量的百分比，可由公式(2）計算，只有利用系數(shù)高的配光設(shè)計才能保證路面有足夠的照度與亮度。

式中 CU——利用系數(shù);

φu——照射到道路面的光通量，單位:lm;

φo——道路燈具輸出的總光通量，單位:lm。

一般來說，燈桿高度越低、馬路越寬的應(yīng)用場景，利用系數(shù)越高，圖12(a）和圖12(b）顯示了利用系數(shù)CU與寬高比(W/H）的關(guān)系。如果燈具的橫向配光設(shè)計過寬(如圖12(a）所示），在應(yīng)用到較窄道路(如2～3車道）的照明場景時，出現(xiàn)利用系數(shù)過低而造成嚴(yán)重的能源浪費問題;如果燈具的橫向配光設(shè)計過窄(如圖12(b）所示），在應(yīng)用到較寬道路時，出現(xiàn)均勻度降低的問題。

圖12 不同配光的利用系數(shù)曲線圖

圖13為我國的80 W路燈實測試的燈具利用系數(shù)曲線。

圖13 我國的80 W路燈燈具利用系數(shù)曲線

80 W路燈符合對稱性配光CU曲線的特點，整體利用率高，較好地體現(xiàn)了LED路燈的節(jié)能性能。在使用一定仰角的時候，既有較高的利用系數(shù)，在應(yīng)用到較寬道路時，也不會出現(xiàn)均勻度降低的問題。

1.5 提升燈具效率的分析

燈具效率的提升，對于提升整燈的光輸出及降低燈的發(fā)熱都有益。

一般路燈通過合金外殼及平板玻璃組成一個可以達(dá)到IP65的密封殼體。平板玻璃是燈具出光的窗口，燈具所有輸出的光線通過玻璃窗口向外輸出。這個平板玻璃一般使用的是防爆鋼化玻璃，滿足安全性要求并具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。這個平板玻璃的透光率一般在90%左右。通過光譜分析儀對這個平板玻璃在LED發(fā)光光譜范圍，在420～680 nm的波長光范圍進(jìn)行測試，透過率也都維持在90%左右。通過使用平板玻璃和不使用平板玻璃分別在積分球下，進(jìn)行整燈光通亮輸出測試，確認(rèn)使用平板玻璃后整燈的光通量輸出減少約10%。這減少的10%為平板玻璃所反射和吸收所導(dǎo)致。為此通過尋找高透過率的鋼化玻璃，或使用鍍上增透膜的鋼化玻璃，使這塊平板玻璃的透過率提升到98%。使用改良后的平板玻璃后整燈的光輸出提升約8%。雖然整體燈具效率提升不大，并且會導(dǎo)致整燈的成本上升，但提升了8%的光輸出也減少了這8%的光產(chǎn)生的熱。

現(xiàn)在LED電光轉(zhuǎn)換效率約20%，為達(dá)到相同的光通量輸出，在提升8%的燈具效率后，則80 W路燈整燈可減少約6.4 W的能量消耗。同理也可減少約6.4 W的發(fā)熱產(chǎn)生。

2 小結(jié)

半導(dǎo)體白光照明行業(yè)方興未艾，LED路燈行業(yè)也剛興起，業(yè)內(nèi)人士對道路照明應(yīng)用需求缺乏了解，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范不夠完善，整個LED道路照明行業(yè)處在探索性創(chuàng)新階段，所以難免出現(xiàn)許多認(rèn)識上或技術(shù)上的問題。根據(jù)照明的需求，結(jié)合LED照明的特點。筆者對于LED大型燈具配光設(shè)計進(jìn)行了一定探討，供相關(guān)人員參考。

［1］評價LED道路照明燈具配光性能的兩個重要指標(biāo)［J］.照明工程學(xué)報，2010(04）