LED路燈配光設計探討

黃 翔

(廣東省佛山市燊業光電有限公司，佛山52800）

0 引言

LED光源在照明領域的應用，是半導體發光材料技術高速發展及“綠色照明”概念逐步深入人心的產物。“綠色照明”是國外照明領域在上世紀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。實現這一計劃的重要步驟就是要發展和推廣高效節能照明器具，節約照明用電，減少環境及光污染，建立一個優質高效，經濟舒適，安全可靠，有益環境的照明系統。

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，傳統的路燈常采用高壓鈉燈。因此，開發新型高效、節能、壽命長、顯色指數高、環保的路燈對城市照明節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、環保、節能、壽命長、顯色指數高等特性，是當前全球最具發展前景的高新技術領域之一。雖然目前LED路燈的市場價是傳統燈的4倍，而且目前還沒有一個國家已經制定出完整的國家級技術標準，但一場全球范圍內LED光源的技術革命已悄然展開。歐盟已立法要在2012年前全面禁止使用除LED燈(含達到環保節能要求的燈）以外的其他傳統燈;美國也正準備立法(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在市政照明的應用示范工程為載體，選擇10個城市，每個城市推廣應用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、節能、環保、壽命長、響應速度快、顯色指數高等獨特優點，可廣泛應用于城市道路照明。自去年以來，在國家節能政策的推動下，很多省市已將應用LED路燈的事宜列入政府的議事日程并提出發展規劃，LED路燈的大規模商業化應用指日可待。LED照明的發展前景一片光明!

1 LED大型燈具的光學配光設計

LED與傳統的照明不同，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，使發光二級管發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生，是對LED新型燈具的設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射燈的光學配光設計提出現實的需求。LED射燈設計人員，必須按照各種要求進行相應光學設計，以達到最優化的組合。

以路燈為例，根據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設計和整燈的二次光學配光設計，都圍繞以上的配光目標進行研究和開發，并成為整燈設計的關鍵技術。

在滿足LED路燈配光設計的前提下，細化內部結構，提升光能的利用效率，降低能量的內部損耗，降低LED的光衰及延長LED燈具的使用壽命，也成為潛在品質保證的技術關鍵。

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

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的平面進行照度模擬分析，分析結果如圖2所示。

圖2 無反光杯的LED在0.5 m下方1 m×1 m平面上照度模擬結果

分析結果顯示，在分析區域內，照度中心亮度高，周邊低，整體利用率低。單顆LED發出的光能只有60%照射在分析平面上。

為此設計反射傘，把沒有照射到分析面上的光線集中過來。目標為:增加光線集中度，并達到在照射區域內盡量平均。

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平面上照度模擬結果

結果分析:光能利用率有明顯提高，但照射區域內照度還不均勻。

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平面上照度模擬結果

結果分析:光能利用率較高，照射區域為矩形，照射區域內照度較均勻。

圖5為拋物線反光結構，四邊型反光杯為X＆Y方向各一組拋物面的反光杯結構。

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）道路照明標準配光要求

根據LED路燈的行業標準要求，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準值應符合表1的規定。

表1 LED道路照明行業標準

(3）LED路燈的配光曲線

發光強度的空間分布通常稱為配光曲線。在路燈的下方，光強應是最小，隨著仰角θ增加，光強I增加。函數關系為:

配光曲線表達式。道路照明單一燈具的理想配光曲線示意圖如圖7所示。

由于光學設計復雜性，配光形狀難以完全符合函數關系，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對稱式配光，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，進行弧面式配光(見圖9）設計。

圖9 弧面式示意圖

我們通過反光杯模組陣列，進行弧面式配光設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）特點為縱向對稱式配光，橫向和縱向配光均勻，整體照度均勻性好。與同行業的路燈品質比較，有較強的競爭優勢。

1.3 眩光分析

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

眩光的產生分直射和反射兩種，在燈具設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出現過亮的光源而引起的。直射眩光的程度與發光體相對眼睛的位置、角度密切相關，角度越小，眩光現象越強，照射損失越大，如圖11所示。

圖11 眩光與發光體相對眼睛的位置和角度的關系圖

一般情況下燈具的最大光強方向和垂直夾角不宜超過65°，50%光強不超過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80 W路燈配光曲線來看，80 W路燈最大光強方向和垂直夾角在45°左右，50%光強和垂直夾角不超過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 利用系數分析

利用系數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，只有利用系數高的配光設計才能保證路面有足夠的照度與亮度。

式中 CU——利用系數;

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、馬路越寬的應用場景，利用系數越高，圖12(a）和圖12(b）顯示了利用系數CU與寬高比(W/H）的關系。如果燈具的橫向配光設計過寬(如圖12(a）所示），在應用到較窄道路(如2～3車道）的照明場景時，出現利用系數過低而造成嚴重的能源浪費問題;如果燈具的橫向配光設計過窄(如圖12(b）所示），在應用到較寬道路時，出現均勻度降低的問題。

圖12 不同配光的利用系數曲線圖

圖13為我國的80 W路燈實測試的燈具利用系數曲線。

圖13 我國的80 W路燈燈具利用系數曲線

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

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械強度。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發光光譜范圍，在420～680 nm的波長光范圍進行測試，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，進行整燈光通亮輸出測試，確認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%的光產生的熱。

現在LED電光轉換效率約20%，為達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的發熱產生。

2 小結

半導體白光照明行業方興未艾，LED路燈行業也剛興起，業內人士對道路照明應用需求缺乏了解，行業標準及規范不夠完善，整個LED道路照明行業處在探索性創新階段，所以難免出現許多認識上或技術上的問題。根據照明的需求，結合LED照明的特點。筆者對于LED大型燈具配光設計進行了一定探討，供相關人員參考。

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