26LED道路照明系统的光学设计及发展趋势

LED道路照明系统的光学设计及发展趋势蒋金波杜雪李荣斌张志辉摘要良好的道路照明要求路灯的光斑有极好的均匀度、没有热点、消除眩光和光污染，给人们提供友好的照明环境。光学是直接决定LED路灯的输出效率、配光曲线、光斑均匀性的最主要的因素。光学设计的好坏决定了LED路灯能不能符合城市道路照明设计标准、是不是造成光能浪费、安全性能与眩光指数是否达标。不同于其他的技术，LED路灯的光学涉及到理论计算、计算机模拟及优化、光学元件的超精密加工和模具制造等诸多环节。本文介绍了LED道路照明系统的光学系统设计及发展趋势。1、LED道路照明系统的背景介绍为了满足城市道路照明设计标准，传统的道路照明灯具往往采用耗电200瓦以上含水银的灯泡。相比之下，到2009年，市场上发光二极管（LED）的光学效率已经超过了100lm/W，这意味着采用LED作光源的路灯，其耗电量将会大大的减少。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。目前，LED路灯在世界上各个国家都进行了测试。为了解决能源紧缺和温室气体的排放问题，LED路灯在一些地方已经实用化，其中中国、北美以及欧洲的一些地区和都市的政府进行了积极的推广。由于市场上出厂的LED大部分都是呈郎伯型（Lambertian范围的出射光还是很多，这样就会给远处的车辆或行人造成眩光。~90distribution）分布，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了LED路灯的效率，有的LED路灯加上了设计不好的二次透镜之后，有些光在透镜里面多次反射后损耗掉了或者是不能配到有效的区域，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，光学设计的好坏也均定了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75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。本文将基于这些因素来探讨LED道路照明系统的光学系统设计及发展趋势。2、自由曲面二次光学的设计方法由于道路照明要求路灯的光斑是长方形，在垂直于道路的方向，其出射的光束是会聚的，而沿着道路的方向，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。中国利用上述的(1)~(9)关系式，结合曲面控制网格的节点法线矢量的匹配法，可以计算出曲面上各个点的法线矢量，从而得出各点的轮廓线，进而构成完整的自由曲面。具体的曲面控制网格的节点法线矢量的匹配法如以下所述：中国照明网技术论文：LED道路照明系统的光学设计及发展趋势[蒋金波杜雪李荣彬张志辉]当曲面建模完成之后，将透镜的3维模型输入到光度分析软件例如LightTools[4]中进行光线追迹和光度分析，图5为透镜的计算机模型及光线追迹，这里模拟采的LED模型为光通量图8为整个LED灯头的计算机建模及光线追迹。因为长方形光斑及蝙蝠翼配光曲线的配光早已在单颗透镜上实现，灯头的结构只要把这些二次透镜模组按照相同的方向排列组装在PCB上即可，这样使得LED路灯的散热比较容易实现。只要这些透镜模组的方向一致，PCB板的形状可以是个种各样的，譬如椭圆形、长方形、星形、花形或动物形，不影响整体灯头的配光结果。LED灯头在12米远处的光斑形状和照度分布如图9所示，图10为此灯头的光强的远场角度分布，由图中可见，整灯的光斑形状及配光曲线的形状同单颗透镜是一样的，不同的是整灯的照度值和辐射强度值根据LED数量多少乘一个比例。中国3、LED道路照明系统的光学技术的发展趋势由于所谓的二次光学是在加在LED原有的一次光学透镜之上的用来配光的二次光学透镜，二次光学和一次光学之间或多或少的总存在一些耦合损耗的不利因素。随着封装技术和精密注塑成型技术的进步，用来配光的二次光学和LED芯片可以直接封装在一起，以消除这部分的耦合损耗，即直接在一次光学透镜上作配光。未来LED路灯的配光的趋势有以下两种：3.1直接在一次光学透镜上作配光由于直接在LED的一次透镜上面完成了配光设计，单个LED光学模组的尺寸大大的减小，并且大大减少了二次光学透镜所带来的光效上的损耗，从而可以大大简化LED路灯的装配机构。图13单颗LED模组的光线追迹一次光学透镜的曲面计算采用同上述的二次光学透镜的曲面一样的计算方法，计算结合了边缘光学原理以及曲面控制网格的节点法线矢量相匹配的方法，曲面的各网格线的轮廓经计算之后，再利用3维造型软件蒙上蒙皮，填充后生成透镜实体。一次透镜的建模完成之后，再将LED光学模组的实体输入到LightTools软件中进行光线追迹如图13所示。为整灯的建模及光线追迹，由于没有尺寸较大的二次光学，灯头的结构变得比较简单而且尺寸可以做得比较小（在散热允许的条件下）。灯头的组成只要把这些LED模组按照相同的方向排列组装在PCB上即可。LED灯头在12米远处的光斑形状和照度分布如图17所示，图18为此灯头的光强的远场角度分布，由图中可见，整灯的光斑形状及配光曲线同单颗透镜是一样的，不同的是整灯的照度值和辐射强度值根据LED数量多少乘一个比例。3.2一次光学配光透镜的模块化除了采用分立的二次和一次光学透镜，透镜的配光可以采用模块化的设计，由于透镜采用了模块化的设计，不同数量的模块可以组成不同规格和不同输出功率的符合不同等级道路照明设计要求的路灯。另外透镜模块除了配光的作用之外，还兼顾了防水、防尘，可以直接裸露在外，从而可以省去了最外面的玻璃灯罩，避免了玻璃灯罩所附加的菲涅尔损耗。另外模块化设计的一次配光透镜，由于每个透镜单元的尺寸及透镜单元之间的间距比较小，每个透镜单元可以使用小功率的LED芯片，以解决散热所引起的光衰的问题。4、结论本文探讨了一种LED路灯的自由曲面透镜的设计方法，透镜曲面的设计结合了边缘光线原理及曲面控制网格的节点法线矢量的匹配法，设计出来的二次光学透镜的均匀度较好，配光曲线呈蝙蝠翼分布。由于二次光学和一次光学之间或多或少的总存在一些耦合损耗的不利因素。随着封装技术和精密注塑成型技术的进步，用来配光的二次光学和LED芯片可以直接封装在一起，以消除这部分的耦合损耗，直接在一次光学透镜上作配光是一种趋势。另外透镜的模块化也将是配光技术的一种趋势，由于透镜采用了模块化的设计，采用不同的模块可以组成不同规格和不同输出功率的符合不同道路照明设计要求的路灯。另外透镜模块除了配光的作用之外，还兼顾了防水、防尘，可以直接裸露在外，从而可以省去了最外面的玻璃灯罩，避免了玻璃灯罩所附加的菲涅尔损耗。