大功率LED燈具的配光設(shè)計

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)點以及白光LED技術(shù)的日臻成熟，使得LED照明進入千家萬戶。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)達到城市道路照明標(biāo)準的相關(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(見圖1），光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計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)計在整個燈具開發(fā)設(shè)計中極為重要，在進行LED燈具設(shè)計時，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，結(jié)合市場上同型號規(guī)格的其他光源的燈具進行綜合對比，從而初步確定燈具所要達到的各項技術(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。同時制定詳細的測試方法和驗證方案。等開發(fā)完成后再進行綜合論證，對論證評審中所發(fā)現(xiàn)的問題提出修改方案，從而實現(xiàn)產(chǎn)品由試制階段進入小批量生產(chǎn)階段，完成整個燈具的開發(fā)設(shè)計任務(wù)。

圖1 LED燈具的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計流程圖

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基藍光LED芯片上涂一層黃色熒光粉，一部分藍光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生黃綠光，與直接透過熒光粉的藍光混合產(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)實照物體真實顏色能力的參數(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)，所以在計算時，除了理論計算外，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。現(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，它們的光強分布近似朗伯源的點光源(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

在進行路燈等大型燈具設(shè)計時，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)計才能實現(xiàn)。由于目前大功率LED的發(fā)光角度受限，半光強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，但很難達到國家照明標(biāo)準規(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)計的透鏡(見圖9）或者反光罩進行二次光學(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，提高整體發(fā)光效能，降低成本。由于多點發(fā)光，二次光學(xué)設(shè)計的難度大。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，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、尺寸進行周密設(shè)計，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)燈具的實際工況進行分析，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）

在進行路燈設(shè)計時，為了滿足城市道路照明設(shè)計標(biāo)準，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，這樣就會給遠處的車輛或行人造成眩光。中心光強比較強，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)計標(biāo)準，LED路燈需要進行二次光學(xué)設(shè)計，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)計的好壞直接決定LED路燈的效率，設(shè)計不好的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)計的好壞也決定了LED路燈有無眩光，有的設(shè)計得不好的透鏡，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，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)計應(yīng)充分利用LED光源面積小這一優(yōu)點，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。

在進行路燈的光學(xué)設(shè)計計算時要遵循和利用光學(xué)基本規(guī)律:利用光的獨立傳播定律，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。可以利用將強光發(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際情況如下

根據(jù)城市道路照明標(biāo)準，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。

進一步分析實際路況為四車道(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，計算路長方向的出光角度(見圖12）。

圖12 根據(jù)道路情況計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），所以以此利用計算機輔助計算路寬方向的數(shù)學(xué)模型。

圖13 根據(jù)道路情況計算的路寬方向的出光角度

通過上述的計算，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)計時要充分利用這一特性，盡可能地將中心的強光向外側(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。

圖14 LED光源的半光強發(fā)光特性

5.3 透鏡配光思路

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

根據(jù)我們計算的路寬方向的數(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，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)計時思路和透鏡設(shè)計的思路一致，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)計也要進行偏光設(shè)計(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來處理路面光色的不均勻。

進行燈具設(shè)計時，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)計的的LED燈具的配光思路

有時候我們在設(shè)計諸如投光燈等特殊燈具時，單靠透鏡或者反光罩是無法達到理想的效果，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)計時注意掌握透鏡和拋物線的焦距就可計算出光路分析(見圖20）。

圖20 透鏡和反光罩結(jié)合設(shè)計的的LED燈具的配光圖

5.7 驗證數(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)軟件進行模擬驗證，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)計軟件:

ZEMAX是美國焦點軟件公司的光學(xué)設(shè)計軟件，可做光學(xué)組件設(shè)計與照明系統(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)準版，XE:完整版，EE:專業(yè)版(可運算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)合真實固體模型、強大光學(xué)分析功能、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力強的仿真軟件。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）、光機設(shè)計(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)利用計算機軟件制三維結(jié)構(gòu)圖

圖22 用計算機生成的透鏡模組工程圖

圖23 加工后的透鏡模組樣件

5.8 樣機組裝，照明效果測試

通過燈具裝配后按實際道路要求進行測試，可對燈具的照射范圍，路面均勻度、色溫等一系列指標(biāo)進行詳細測試，與最初理論數(shù)據(jù)進行比對，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)實際設(shè)計思路的了解，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，才有可能設(shè)計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)處理才能使燈具達到比較理想的光學(xué)效果。