淺談LED路燈光學設計與分析

戴勇

摘 要：LED全稱發光二極管，而LED路燈的光學設計對LED燈的照明狀態起著關鍵的作用。良好的LED路燈照明需要達到常規路燈的均勻矩形照射就必須對LED的配光設計和光源選擇進行合理地分析。本文將通過概述LED路燈相比于傳統路燈照明的優勢和缺點，分析LED路燈的配光設計方法和光源的選擇以及透鏡的設計和仿真測試。以此為LED路燈的實現和普及工作提供一定參考。

關鍵詞：LED路燈；光學；設計與分析

中圖分類號：TN312 文獻標識碼：A

在社會發展初期，人們為了更快的發展，更快捷地取得利益而不顧環境污染與能源損耗，大肆的開發能源并不顧能源浪費的情況，大量的一次能源被浪費。隨著社會的進步，世界各個知名雜志對能源可利用時間的曝光，讓人們清楚地意識到我們的能源并非用之不竭，甚至即將枯竭，于是能源的合理利用慢慢成為人類社會所面對的問題，也是人們所追求的一種生活。然而并不樂觀的是即使人們對能源儲量有了一定的了解，但是對于公共用電的浪費情況卻知之甚少。其實，對于城市供電來說，公共用電占據了總用電量的大部分，而路燈供電在城市公共用電中又扮演了主要角色。常規的路燈供電系統單一，通宵的統一標準性供電使得路燈系統不僅不能按照實時的天氣情況對供電電壓加以變化，還造成了大量的浪費。面對這一現象可以通過加入分時控制和電壓監控等系統得以改進，但是這可以最大程度地節省因系統的不科學導致的電能的損耗，卻不能根本地解決掉常規鈉燈的耗電量大、照明度低、使用壽命短等問題。隨著科學技術的發展，LED燈的技術越發成熟，使得利用LED燈設置城市路燈這一構想成為可能。LED燈相比于傳統鈉燈具有耗電量更低、照明強度更高、使用壽命更長、燈光更加柔和等特點。比如采用傳統250W鈉燈作光源的路燈，用LED光源代替之后，大概只需要60多顆LED就可以產生相同的亮度，由此可見LED燈相比于傳統鈉燈極大地降低了能耗。但是普通的LED燈作為路燈并不是十全十美，由于LED光源輻射較較小，形成圓形光場，且亮度分布不均，會使得部分光源不能得到合理利用，這時LED燈的配光設計和廣元的選擇就顯得極為重要。

1. LED路燈的配光設計方法

路燈的設計很重要的一點就是照射燈光的均勻分布，對于不同的燈說需的制作材料不同照射光的分布也不盡相同，普通城市路燈雖然在節能方面遠遠達不到LED燈的效果，但大多都具有良好的均勻照明特性。而對于一般的LED等來說要實現這一效果并不容易。大多數LED的輻射角分布為110°～120°的朗伯分布。所以燈光照明度理想區域集中在以照明區域中心為原點，距離最大照射邊緣長度為半徑的圓面積的中間60%左右的區域，而邊緣的照明區域這不能達到可以保障基本交通安全的照明度。雖然可以通過增加路燈的數量用可以達到標準的照明區域覆蓋道路區域，但這樣不僅會使得外圍燈光被浪費，還可能影響走位綠化帶植物正常新陳代謝等可能造成的光污染。面對這一問題雖然不能改變LED燈的基本性質，但是我們可以通過對LED燈的排列方式進行合理設計以使得整體的燈光輻射角達到普通路燈的水平。

一般的LED路燈配光方式有兩種，分別是弧面排列的LED燈和平面排列的LED燈。

采用弧形排列的LED路燈實物及設計如圖1所示。弧面LED燈組采用軸對稱的透鏡或反光杯進行配光，將LED燈按照設定的布置設置在一個弧形安置板上，并使得該燈組可以通過調整弧面曲率來調整照射的均勻度且使得照射面呈方形。

平面排列的LED路燈示意如圖2所示。平面排列LED路燈組相對弧面排列來說較為簡單。只需選擇長方形配光的LED燈組按照路面照明需求量增減LED燈數量的多少即可，但這種配光方式的LED燈價格較高，且需采用非對稱自由曲面的透鏡，而這種透鏡的設計和加工工藝也會相對復雜。

2. LED光源的選擇

通過對城市交通路燈照明需求的研究，路燈需要對路面進行均勻的方形照射，雖然在運用普通照明方法可以運用弧形照射的配光方法加以改進但是效率不高，運用方形照射LED燈價格高昂。這時對光源的合理選擇就尤為重要。這里我們選擇了Lumiled的120度發散角的LED，這種LED燈對主光軸發光較少，對于主光軸成一定角度的方向發光較大，以此來解決了，LED燈邊緣發光低的問題，使得路面燈光分布更加均勻合理。

3.透鏡的設計與仿真測試

目前大多LED燈都是根據燈的放置方向結合反光面結合的設計方法進行光學系統設計。但是這種設計方法會使得光能浪費，且對燈具的外形設計方面限制較大。因此本文采用LED陣列加透鏡的方式來設計光學系統。運用一個或多個LED燈作為一組共享一個透鏡。這樣更有利于設計不同功率的路燈，以此來對不同路段的情況設計靈活設計不同的功率的路燈。按照上述設計方法采用ASPA進行仿真，可以明顯的看出此LED路燈系統的照明度比較均勻，燈光利用率也較高。

結語

通過對LED燈作為路燈的優缺點的分析，我們可以清楚地了解到LED的作為路燈是一個非常有發展前途的選擇。然后針對LED作為路燈在燈光分布的不均勻的缺點，通過LED燈組的兩種配光的設計，合理的解決了燈光分布問題。通過對LED光源的選擇分析和透鏡的設計，提高了LED燈的發光效率。通過這些對LED燈的改進設計，使得LED路燈更加的科學，高效。

城市路燈在城市電能占有大量份額，所以對其的選擇與設計無比重要，LED路燈的出現大大的減少了城市電能的能耗。也更加加深了人們對節能理念的理解。

參考文獻

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