大功率LED灯具的配光设计

公文礼

(陕西得瑞光电科技有限责任公司，西安 710075）

0 引言

大功率LED光源作为第四代光源应用于照明领域所具有的显著优点以及白光LED技术的日臻成熟，使得LED照明进入千家万户。节能、长寿、光照均匀、灵活方便、绿色环保的LED照明灯具将有着广阔的前景。LED照明产业的发展，对节省城市建设资金，缓解用电矛盾，构建节约型社会具有重大意义。然而大功率高亮度LED光源作为一个新技术，在实际应用上还存在许多难题，特别是在城市照明领域，要使LED照明系统达到城市道路照明标准的相关要求，除了要解决好灯具的散热和电源驱动两大技术难题外，更重要的是要解决好灯具的光学系统设计(见图1），光学系统设计的好坏直接决定了城市道路上光照的均匀性，决定了灯具在照度和亮度上能否满足国家标准的要求，从而影响灯具的照明效果。

LED灯具的光学系统设计在整个灯具开发设计中极为重要，在进行LED灯具设计时，首先要明确灯具的应用场合和种类，然后根据灯具的型号规格查阅相关标准，结合市场上同型号规格的其他光源的灯具进行综合对比，从而初步确定灯具所要达到的各项技术性能要求，并制定完整的灯具开发方案尤其是灯具的配光方案。同时制定详细的测试方法和验证方案。等开发完成后再进行综合论证，对论证评审中所发现的问题提出修改方案，从而实现产品由试制阶段进入小批量生产阶段，完成整个灯具的开发设计任务。

图1 LED灯具的光学系统设计流程图

1 根据灯具的使用环境确定灯具的色温

目前大功率LED光源实现白光的方法有多种，其中相对成熟的技术是在GaN基蓝光LED芯片上涂一层黄色荧光粉，一部分蓝光激发荧光粉产生黄绿光，与直接透过荧光粉的蓝光混合产生白光，由于荧光粉技术的国际垄断，导致大多数厂家的LED光源色温不够理想。加之不同地域的人对色温的感受不同，所以在灯具设计时要根据灯具适用场合的不同来选择不同色温段的光源。一般情况下LED光源生产厂家在出厂时对光源进行分段分档，我们在订货时根据由CIE1960UCS推荐的色度坐标ISO色温线求取色温(见图2、图3），提出符合自己需要的那一档就可以了。光源的显色指数是衡量光源显现实照物体真实颜色能力的参数。不同色温的光源会导致灯具的显色指数不同。白光大致分为以下3个档:

(1）暖色光:暖色光的色温在3300 K以下，暖色光与白炽灯光色相近，红光成分较多，给人以温暖、健康、舒适的感觉，适用于家庭、住宅、宿舍、医院、宾馆等场所，或温度比较低的地方。

(2）暖白光:又叫正白光，它的色温在3300 K～5300 K之间。暖白光光线柔和，使人有愉快、舒适、安祥的感觉，适用于商店、医院、办公室、饭店、餐厅、候车室等场所。

(3）冷色光:又叫日光色，它的色温在5300 K以上，光源接近自然光，有明亮的感觉，使人精力集中，适用于办公室、会议室、教室、绘图室、设计室、图书馆的阅览室、展览橱窗等场所。

白炽灯的色温一般在2700 K左右，日光灯的色温在2700～6400 K之间、钠灯的色温在2000 K左右。

图2 基于三原色的光谱分布图

图3 Osram公司LED光源的色温分档图

2 确定灯具的总光通量

灯具的总光通量的计算是个相当复杂的问题，它除了与光源的流明维持率有直接关系外，主要取决于灯具的反光罩、路面的反射系数以及灯具的效率和灯具的维护系数。

灯具效率是灯具输出的总光通量与灯具内所有光源发射出的总光通量之比，只有提高单颗光源的流明数才能提高整个灯具的效率。

维护系数是灯具在使用一定周期后，在规定表面上的平均照度与该灯具在相同条件下新安装时在规定表面上所得到的平均照度之比。较高路面的反射系数可以适当降低灯具的光通量。

眩光是在一个照明环境中，当某光源或物体的亮度比眼睛已适应的亮度大得多时，人就会有眩目或耀眼的感觉，眩光会造成不舒适或(和）可见度下降。尤其是LED路灯对行车安全非常重要。

照度均匀度:规定的照明表面上的最小照度与平均照度之比。单位面积功率:单位被照面积上所安装灯具的功率，单位为W/m2。它是表征能耗的重要指标。

灯具总光通量确定的原则是在尽可能低的总功率下达到较高的流明数，它除了与单颗光源的光通量有关系外，还与灯具的安装距离、配光系统和维护系数有关。

由于光学系统的复杂性，加上LED光源是个新兴产业，所以在计算时，除了理论计算外，还要参考传统灯具的光通量和目前已有LED灯具的光通量。

灯具总光通量=单颗光源的有效光通量×光源数量×利用系数

其中，利用系数又和灯罩透光率和配光系统的光损有关系，一般，白玻璃的透光率为88%，PC的透光率为92%;配光系统采用透镜时光损14%，采用反光罩时光损16%。

3 根据灯具的用途、种类选择合适的LED光源

由于目前LED光源封装结构和功率大小的不同，在灯具设计时要根据应用的场合和灯具自身的结构来选择合适的LED光源。现有的LED光源按照封装结构的不同分为以下几类。

3.1 小功率草帽型LED光源

一般要采用几十到几百颗Φ5～Φ10白光LED阵列式排布，直接插接在PCB板或者焊接在铝基板上。光学设计就很简单，也不存在散热问题，例如，如图5所示，一般应用在1～5 W的家用球泡灯(见图4）、15～20 W的管灯及草坪灯、地灯以及信号灯等。

图4 支架LED型球泡灯

3.2 小功率贴片型LED光源

一般采用3528型或者6050型贴片(见图5）封装，采用回流焊焊接在铝基板条上，主要在背光照明和条型荧光管灯上应用较多。和小功率草帽型LED光源一样，一般是直接出光，无法采用二次配光处理。

图5 小功率LED贴片型

3.3 大功率基座(基板）型LED光源

这是目前应用最多也最成熟的方案。主要用在一些高亮度需求的灯具上，如路灯、隧道灯、投光灯等。采用几颗甚至多颗大功率基座型LED作为灯具光源，如图6所示。

图6 大功率基座型LED光源

这种光源是目前光效最好，性能较稳定，也是功率最大应用最成熟的光源，一般封装成1 W和3 W的规格。受封装工艺影响，它们的光强分布近似朗伯源的点光源(见图7）或者蝙蝠翼型(见图8）两种模式，一般出光角度在60°～120°之间。

图7 朗伯型出光的光源

图8 蝙蝠翼型出光的光源

在进行路灯等大型灯具设计时，如果还是简单地汇集LED光源来做灯具照明，则无法真正利用LED冷光源的优势。必须通过二次光学设计才能实现。由于目前大功率LED的发光角度受限，半光强角度最大的也只能到140度，多颗组合后，虽然照度可以满足要求，但很难达到国家照明标准规定的路面均匀性要求。在做路灯等大功率照明灯具时，必须配套专门设计的透镜(见图9）或者反光罩进行二次光学处理。

图9 花生型路灯专用透镜

3.4 多芯片集成型光源

如图10所示，多芯片集成型LED光源是在单位面积内将数颗芯片集成封装，芯片间通过不同的串并联组合，可以实现各种不同的额定电压和电流，更好地适应驱动电路的设计，提高整体发光效能，降低成本。由于多点发光，二次光学设计的难度大。光学系统及灯具结构可以借鉴老式路灯的外壳，反光罩也可以采用高压钠灯稍做修改即可使用。

图10 一种多芯片集成LED光源

4 确定比较理想的配光方案

配光曲线是表示灯具或光源发射出的光在空间中光强的分布情况。它可以反映出灯具的光通量、光源数量、功率、功率因数、灯具尺寸、灯具效率等信息。

照明灯具的光强分布是利用灯具的反光罩、透光棱镜、格栅或反光罩控制灯光实现的。反射罩是灯具的基本控光部件，它的反射比越高，反射越强，控光能力越显著。阳极氧化或抛光氧化铝、不锈钢板是常用的镜面反射材料。按照规则反射定律对铝反射罩的几何形状、尺寸进行周密设计，安装时注意光源精确定位，便能获得各种需要的光分布。

由配光可以估算出灯具的照射范围，照射方向，有效安装高度、射程(当然跟光源有关系），照射范围内的照度。

5 根据灯具的实际工况进行分析，建立灯具的光学数学模型(以双向四车道城市主干道路灯为例）

在进行路灯设计时，为了满足城市道路照明设计标准，传统的道路照明灯具大多采用耗电200 W以上的高压钠灯，虽然LED的光学效率已经超过了100 lm/W，用LED作光源的路灯，其耗电量将会大大减少。由于LED的超长寿命、不含汞和节能的特性，采用LED作光源的路灯来取代传统的LPS(低压钠灯）或MH(金属卤化物灯）是很好的选择。

由于市场上的LED大部分都是呈朗伯型(Lambertian）范围的，这样就会给远处的车辆或行人造成眩光。中心光强比较强，而且是对称的圆形光斑分布，不能直接用于道路照明。为了满足城市道路照明设计标准，LED路灯需要进行二次光学设计，以产生一个长方形、均匀分布的光斑，其配光曲线需要呈蝙蝠翼的形状。另外，光学设计的好坏直接决定LED路灯的效率，设计不好的LED路灯加上了二次透镜之后，有些光在透镜里面多次反射后损耗掉了或者是不能射到有效的区域，有些二次透镜虽然光斑形状和均匀度都可以，但出光效率却降低了将近一半。还有，光学设计的好坏也决定了LED路灯有无眩光，有的设计得不好的透镜，虽然也可以产生一个长方形、均匀分布的光斑，配光曲线也可以呈蝙蝠翼，但由于没有采用截光设计，导致沿道路方向造成了光损失和光污染;好的光学设计应充分利用LED光源面积小这一优点，充分考虑光的利用率，将所有从LED芯片发出的光都分配到路面上，形成一个均匀度好、无眩光、配光曲线呈蝙蝠翼的光斑。

由于道路照明方面要求路灯的光斑是长方形，在垂直于道路的路宽方向，其出射的光束是会聚的，而沿着道路的路长方向，其出射光束是发散的，并且有一个很大的视角。对于这种一个方向是会聚而另一个方向是发散的配光，那么所对应的透镜，其在垂直于道路方向的剖面应该是个正透镜，而沿着道路的方向的剖面应该是个负透镜，所以透镜的整体可以用一个不规则的自由曲面来表述。

在进行路灯的光学设计计算时要遵循和利用光学基本规律:利用光的独立传播定律，光传播时，光路之间互不干涉，互不影响;直线传播定律以及光的可逆性;反射定律，合理利用反射光，尽量避免灯具的光二次反射;折射定律，光线折射会引起理论数据的偏差。可以利用将强光发散，将弱光聚合处理;在透镜和灯具内避免光的全反射。

5.1 确定灯具使用环境，即路灯使用在四车道主干道时的实际情况如下

根据城市道路照明标准，道路按快速路、主干路、次干路、支路以及居住区分为五级。灯具的配置方式为平面对称布置。采用普通截光型路灯，按平面对称式配置灯具的高杆灯，其间距和高度之比以3∶1为宜。

进一步分析实际路况为四车道(见图11），主干道路宽12 m，双向分流，每侧人行道宽3 m，路灯双向对称布灯，路灯间距30 m，灯杆高10 m。

图11 双向四车道路面信息及布灯间距

首先根据路灯使用环境因素提供的参数，即灯杆高10 m，布灯间距30 m，计算路长方向的出光角度(见图12）。

图12 根据道路情况计算的路长方向的出光角度

5.2 根据路况数据，建立数学模型

根据路宽12 m和人行道3 m确定路宽方向的出光角度，由于路灯安装时一般要仰角5～15°(见图13），所以以此利用计算机辅助计算路宽方向的数学模型。

图13 根据道路情况计算的路宽方向的出光角度

通过上述的计算，我们就得到一个理论上的该灯的配光曲线，其理想的配光曲线图如下:

由于LED光源为单向性的面发光，且各个厂家技术不同，一般发光最大角度只能做到140°，我们称之为半光强角(见图14），140°以外的光一般很弱，光色也不稳定。所以灯具设计时要充分利用这一特性，尽可能地将中心的强光向外侧发散，而将140°～180°的侧光向内侧收拢利用，不要让这部分光浪费。

图14 LED光源的半光强发光特性

5.3 透镜配光思路

我们在设计透镜配光时要注意这点，首先根据前面计算的最大出光角度(见图15、图16）确定透镜的边缘最大引导光线，从而利用计算机模拟透镜侧面的曲率半径，再计算中心的发散区域的曲率半径。

根据我们计算的路宽方向的数学模型，我们得知，路宽方向的透镜结构应该采用偏光设计，将人行道方向的多余的光向路中心处理。透镜两侧的曲率半径要根据之前的数学模型模拟计算。

图15 根据路长方向确定的出光角度分析透镜纵向模型

图16 根据路宽方向确定的出光角度分析透镜横向模型

5.4 反光罩配光思路

利用反光罩配光设计时思路和透镜设计的思路一致，根据最大出光角度确定反光罩的开口大小和高度H(见图17）。

图17 根据路长方向确定的出光角度分析反光罩配光模式的纵向结构

同样，路宽方向的设计也要进行偏光设计(见图18），以有效利用LED光源发出的所有光。

图18 根据路宽方向确定的出光角度分析反光罩的横向结构

5.5 无配光系统的灯具思路

如果采取无配光系统的路灯设计方案(见图19），我们可以直接利用光源自身的优势，一般要选用出光角度大的并且出光均匀，光色稳定的光源，一般要利用光源间的空间角度互补来处理路面光色的不均匀。

进行灯具设计时，要注意光源中心光线间的角度Q，Q值要结合光源自身的出光角度，光源的出光角度越大，Q值相应要取小。

图19 无二次配光系统的LED灯具的光源布置结构图

5.6 透镜和反光罩结合设计的的LED灯具的配光思路

有时候我们在设计诸如投光灯等特殊灯具时，单靠透镜或者反光罩是无法达到理想的效果，这时，可以将两者结合起来使用，以取得更好的照明效果。这时可以采用凹透镜或者凸透镜，反光罩可以采用抛物线，设计时注意掌握透镜和抛物线的焦距就可计算出光路分析(见图20）。

图20 透镜和反光罩结合设计的的LED灯具的配光图

5.7 验证数学模型，出工程图

配光系统和方案确立后，根据取得的理论数据和结构图(见图21～图23），我们就可以利用光学软件进行模拟验证，根据模拟的空间环境可以展现光学效果。下面介绍几种光学设计软件:

ZEMAX是美国焦点软件公司的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射、折射、绕射等光学模型，并结合优化、公差等分析功能，版本等级有SE:标准版，XE:完整版，EE:专业版(可运算Non-Sequential）。

TracePro是一套普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析的光线仿真软件。是第一套结合真实固体模型、强大光学分析功能、数据转换能力强的仿真软件。TracePro多变化的应用领域包括:照明(Illumination）、导光管(Light Pipes）、薄膜光学(Tissue Optics）、光机设计(Optomechanical Design）、杂散光和激光泵浦。

图21 根据取得的数学数据利用计算机软件制三维结构图

图22 用计算机生成的透镜模组工程图

图23 加工后的透镜模组样件

5.8 样机组装，照明效果测试

通过灯具装配后按实际道路要求进行测试，可对灯具的照射范围，路面均匀度、色温等一系列指标进行详细测试，与最初理论数据进行比对，找出不符合的原因并及时修正再反复测试，这样最终就可使灯具达到理想的照明效果。

6 小结

通过对LED灯具配光系统的分析和城市道路照明灯具光学系统实际设计思路的了解，说明在现有的技术条件下，只有通过对LED光源的合理选型和灯具二次配光的有效设计，才有可能设计出符合道路工况的理想的LED灯具。同时也说明了灯具设计尤其是大型灯具时我们不能单纯利用LED自身的光学结构，必须通过灯具的二次光学处理才能使灯具达到比较理想的光学效果。