LED路灯配光设计探讨

2012-10-06黄翔

灯与照明 2012年3期

黄翔

(广东省佛山市燊业光电有限公司，佛山52800）

0 引言

LED光源在照明领域的应用，是半导体发光材料技术高速发展及“绿色照明”概念逐步深入人心的产物。“绿色照明”是国外照明领域在上世纪80年代末提出的新概念，我国“绿色照明工程”的实施始于1996年。实现这一计划的重要步骤就是要发展和推广高效节能照明器具，节约照明用电，减少环境及光污染，建立一个优质高效，经济舒适，安全可靠，有益环境的照明系统。

以路灯为例具体分析如下:

路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯。因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。LED灯是继白炽灯、荧光灯和高压钠灯等之后的第四代光源，具有高效、环保、节能、寿命长、显色指数高等特性，是当前全球最具发展前景的高新技术领域之一。虽然目前LED路灯的市场价是传统灯的4倍，而且目前还没有一个国家已经制定出完整的国家级技术标准，但一场全球范围内LED光源的技术革命已悄然展开。欧盟已立法要在2012年前全面禁止使用除LED灯(含达到环保节能要求的灯）以外的其他传统灯;美国也正准备立法(其中部分州市已立法）实施;韩国目前正计划，利用5年时间将国内10%的路灯换成LED路灯。我国科技部“十城万盏”计划:通过以LED在市政照明的应用示范工程为载体，选择10个城市，每个城市推广应用LED功能照明(路灯，隧道灯，地铁、轻轨、加油站、地下停车场等功能照明灯）。LED路灯与常规高压钠灯路灯不同的是，LED路灯的光源采用低压直流供电，可由GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特优点，可广泛应用于城市道路照明。自去年以来，在国家节能政策的推动下，很多省市已将应用LED路灯的事宜列入政府的议事日程并提出发展规划，LED路灯的大规模商业化应用指日可待。LED照明的发展前景一片光明!

1 LED大型灯具的光学配光设计

LED与传统的照明不同，它具有点光源、高亮度、窄光束输出等特点。做LED路灯首先要考虑把有限的光通量充分地利用到有效的照射范围，路灯要求的主要是路面照明效果。因此，有效地控制光线的分布范围，使发光二级管发出的光成为一个长条形光带沿路面方向铺展，同时也要兼顾控制眩光的产生，是对LED新型灯具的设计人员提出的更高要求。LED射灯也有相似的状况，用于不同的照明场合，需要不同的照明效果，这就为LED射灯的光学配光设计提出现实的需求。LED射灯设计人员，必须按照各种要求进行相应光学设计，以达到最优化的组合。

以路灯为例，根据LED路灯配光形状特点，在道路照明中，如果没有对LED路灯光源配光，照射在路面上的光型为面积较大的圆形光斑，会有部分光散落到路面之外。为了满足对路面的亮度、照度、均匀度的要求，且尽可能使得大部分光都分布在路面上以提高灯光的利用率，减少不必要的浪费，通常需要对LED路灯进行配光，LED路灯输出的光线照射在路面上所形成的光型或光斑以矩形为佳。反光杯蜂窝阵列的光学设计和整灯的二次光学配光设计，都围绕以上的配光目标进行研究和开发，并成为整灯设计的关键技术。

在满足LED路灯配光设计的前提下，细化内部结构，提升光能的利用效率，降低能量的内部损耗，降低LED的光衰及延长LED灯具的使用寿命，也成为潜在品质保证的技术关键。

使用计算机仿真技术，对反射曲面进行求解，对各参数进行优化设计。对设计的模型进行实物样品分析和评价，使用既有的配光测试设备进行测试，测试数据反馈到仿真模型中，并对仿真进行修正。通过以上设计方法进行逐步修正，在满足设计要求条件下，进行量产化评估。评估完成后，进行相应核心零件的开模及试量产。

1.1 LED反射曲面研究和分析

例如，一般120°出光角度的LED，配光图形如图1所示。

图1 配光曲线

使用这样的LED在没有反射伞(反光杯）的情况下，在0.5 m的距离下对1 m×1 m的平面进行照度模拟分析，分析结果如图2所示。

图2 无反光杯的LED在0.5 m下方1 m×1 m平面上照度模拟结果

分析结果显示，在分析区域内，照度中心亮度高，周边低，整体利用率低。单颗LED发出的光能只有60%照射在分析平面上。

为此设计反射伞，把没有照射到分析面上的光线集中过来。目标为:增加光线集中度，并达到在照射区域内尽量平均。

图3为使用简单的六边型反射面的反光杯，在完全相同测试条件下试验达到的效果:

图3 加六边型反光杯的LED在0.5 m下方1 m×1 m平面上照度模拟结果

结果分析:光能利用率有明显提高，但照射区域内照度还不均匀。

图4为使用两组抛物面的四边型反光杯，在完全相同测试条件下试验达到的效果:

图4 加四边型反光杯的LED在0.5 m下方1 m×1 m平面上照度模拟结果

结果分析:光能利用率较高，照射区域为矩形，照射区域内照度较均匀。

图5为抛物线反光结构，四边型反光杯为X＆Y方向各一组抛物面的反光杯结构。

1.2 LED路灯配光分析

(1）LED路灯配光形状特点

在道路照明中，如果没有对LED路灯光源配光，照射在路面上的光型为面积较大的圆形光斑，会有部分光散落到路面之外，如图6(a）所示。

为了满足对路面的亮度、照度、均匀度的要求，且尽可能使得大部分光都分布在道路面上以提高灯光的利用率，减少不必要的浪费，通常需要对LED路灯进行配光，LED路灯输出的光线照射在路面上所形成的光型或光斑以矩形为佳，如图6(b）所示。

图5 LED反光杯模组阵列示意图

图6 LED路灯配光示意图

(2）道路照明标准配光要求

根据LED路灯的行业标准要求，道路分为快速路与主干路、次干路、支路，LED道路照明配光要求标准值应符合表1的规定。

表1 LED道路照明行业标准

(3）LED路灯的配光曲线

发光强度的空间分布通常称为配光曲线。在路灯的下方，光强应是最小，随着仰角θ增加，光强I增加。函数关系为:

配光曲线表达式。道路照明单一灯具的理想配光曲线示意图如图7所示。

由于光学设计复杂性，配光形状难以完全符合函数关系，可以减小θ角的投射范围，减少灯具的间距来得到均匀照度。一般来说，希望在配光后能实现宽角度的“蝙蝠翼”形配光。

图7 理想配光曲线

(4）市面上主流LED路灯的配光分析

图8 LED路灯的配光曲线

图8中路灯一和路灯二为纵向对称式配光，路灯三、四、五、六为纵向非对称式配光。

在对称式配光中:

1）路灯一的横向配光效果好，但纵配光不足(较窄）。

2）路灯二的横向配光效果差，但纵向配光较好。

在非对称式配光中:

1）路灯三的的纵向和横向配光的比较好，只是横向远方的配光还稍不足。

2）路灯四的纵向配光好，但横向配光太差。

3）路灯五的纵向和横向配光都很差。

4）路灯六的的纵向配光好，但横向配光太差。

(5）我们通过反光杯模组阵列，进行弧面式配光(见图9）设计。

图9 弧面式示意图

我们通过反光杯模组阵列，进行弧面式配光设计的路灯配光效果如下。

图10 80 W路灯配光图

80 W路灯配光(见图10）特点为纵向对称式配光，横向和纵向配光均匀，整体照度均匀性好。与同行业的路灯品质比较，有较强的竞争优势。

1.3 眩光分析

眩光是指照明设施产生的具有极高的亮度或强烈的对比时，在视场中造成视觉降低和人眼的不舒适感。

眩光的产生分直射和反射两种，在灯具设计中以直射为重点分析对象。直射眩光是由于在观察者正常视觉范围内出现过亮的光源而引起的。直射眩光的程度与发光体相对眼睛的位置、角度密切相关，角度越小，眩光现象越强，照射损失越大，如图11所示。

图11 眩光与发光体相对眼睛的位置和角度的关系图

一般情况下灯具的最大光强方向和垂直夹角不宜超过65°，50%光强不超过70°度。我们利用LED的排列方式和位置的安排来控制眩光。根据80 W路灯配光曲线来看，80 W路灯最大光强方向和垂直夹角在45°左右，50%光强和垂直夹角不超过70°，满足以上要求。而市面上的路灯(路灯三）的最大光强与垂直夹角超过70°，就有一定程度的眩光不良。

1.4 利用系数分析

利用系数是指道路计算面接受到的光通量占灯具输出总光通量的百分比，可由公式(2）计算，只有利用系数高的配光设计才能保证路面有足够的照度与亮度。

式中 CU——利用系数;

φu——照射到道路面的光通量，单位:lm;

φo——道路灯具输出的总光通量，单位:lm。

一般来说，灯杆高度越低、马路越宽的应用场景，利用系数越高，图12(a）和图12(b）显示了利用系数CU与宽高比(W/H）的关系。如果灯具的横向配光设计过宽(如图12(a）所示），在应用到较窄道路(如2～3车道）的照明场景时，出现利用系数过低而造成严重的能源浪费问题;如果灯具的横向配光设计过窄(如图12(b）所示），在应用到较宽道路时，出现均匀度降低的问题。

图12 不同配光的利用系数曲线图

图13为我国的80 W路灯实测试的灯具利用系数曲线。

图13 我国的80 W路灯灯具利用系数曲线

80 W路灯符合对称性配光CU曲线的特点，整体利用率高，较好地体现了LED路灯的节能性能。在使用一定仰角的时候，既有较高的利用系数，在应用到较宽道路时，也不会出现均匀度降低的问题。

1.5 提升灯具效率的分析

灯具效率的提升，对于提升整灯的光输出及降低灯的发热都有益。

一般路灯通过合金外壳及平板玻璃组成一个可以达到IP65的密封壳体。平板玻璃是灯具出光的窗口，灯具所有输出的光线通过玻璃窗口向外输出。这个平板玻璃一般使用的是防爆钢化玻璃，满足安全性要求并具有一定的机械强度。这个平板玻璃的透光率一般在90%左右。通过光谱分析仪对这个平板玻璃在LED发光光谱范围，在420～680 nm的波长光范围进行测试，透过率也都维持在90%左右。通过使用平板玻璃和不使用平板玻璃分别在积分球下，进行整灯光通亮输出测试，确认使用平板玻璃后整灯的光通量输出减少约10%。这减少的10%为平板玻璃所反射和吸收所导致。为此通过寻找高透过率的钢化玻璃，或使用镀上增透膜的钢化玻璃，使这块平板玻璃的透过率提升到98%。使用改良后的平板玻璃后整灯的光输出提升约8%。虽然整体灯具效率提升不大，并且会导致整灯的成本上升，但提升了8%的光输出也减少了这8%的光产生的热。

现在LED电光转换效率约20%，为达到相同的光通量输出，在提升8%的灯具效率后，则80 W路灯整灯可减少约6.4 W的能量消耗。同理也可减少约6.4 W的发热产生。