大功率LED路灯的配光设计方案

　　1 前言

　　当前，大功率LED 路灯发光效率高(>80 lm/W)、使用寿命长(> 50 000 h)、光输出定向性好、显色性能优良(75~80)、可以选择色温以及绿色无污染等特点，比传统道路照明节能30%以上，具有很高的光利用效率，已发展成为极具竞争力的第四代优质道路照明光源。

　　2 路灯的配光方案

　　(1) 道路照明对路灯光输出的要求

　　较早时期的大功率LED路灯只是模仿以高压钠灯为主的道路照明灯具的形式，通过利用LED 来替代常用的高压钠灯光源，结构非常简单。一般直接选用常规的路灯外壳、结构件及光输出角度较大的功率LED作为发光器件，采用在兼有反光器和散热器功能、背面有散热鳍片的金属平面上将LED 简单地等距离排列，并通过LED 阵列混联的方式来获得较大的灯功率输出和较强的光输出。由于没有针对LED 的出光特点和道路照明标准来进行LED 路灯的二次、三次配光设计，因此就如图1 所示的那样：路灯的光输出在路面上形成一个圆形光斑，造成在道路方向上的照明角度有限，圆形光斑之间由于没有光的平滑叠加过渡而形成明显的暗区——斑马效应;在道路垂直方向上散落在道路边外而没有被利用的光较多，无法满足道路照明对路灯光输出特性的要求。

　　为了满足对路面亮度和路面照度的要求，路灯的光强输出曲线沿着道路方向必须是“蝙蝠翼”型的，在垂直于道路方向上满足均匀度的要求。路灯的光输出配光应该像图2 所示，为长方形的均匀光斑，使得绝大部分的光都分布在路面上，尽可能地提高灯光的利用效率，减少不必要的浪费。

　　

 

　　

 

　　(2) LED 及LED 路灯的配光方案

　　路灯是一种极为重要的功能性照明设备，是为了保障夜间道路交通安全而设置的，其光输出特性必须要满足夜间汽车驾驶人员及行人的视觉分辨要求，因此LED路灯的配光方案就是要在道路照明要求的基础上从单个的LED 配光着手来进行。

　　1.1 LED 的光输出特性

　　随着LED 技术的快速进步，性能指标有了显着的提高。特别是作为第四代照明主流的大功率白光LED的性能有了很大的提高。依据使用要求的不同，以单片封装的功率来区分：从1~10W 直到上百瓦、几百瓦不等;从LED 封装透镜的配光输出光强特性来区分，主要有：朗伯型、侧发光型、蝙蝠翼型、聚光型(准直)等类型，输出的特性曲线如图3 所示。

　　

 

　　目前，功率型白光LED 正在朝着单片大功率的方向发展，但是由于芯片散热瓶颈的制约，采用多芯片组合封装的单片超大功率LED 的散热相对困难，光效相对较低，几乎功率越大的单片LED 相对的光效就越低。在大功率LED 路灯的设计中，大功率LED 的选择需要考虑一次封装特性、发光效率、安装工艺要求、二次三次配光设计、使用环境、散热条件、与驱动控制器的输出特性配合等诸多问题，因此综合以上多种因素，以及实际的应用，路灯中选择LED 的主流趋势是：单个LED 的功率在1 瓦至数瓦左右、显色性好、色温一致、光效90~100 lm/W 的优质产品为设计的最佳选择。在路灯的功率上，通过多颗阵列混联的方式来得要求的总的发光功率;在光的输出特性上，朗伯型、蝙蝠翼型和聚光型应用较多，但是一般都不能直接应用到路灯中去，必须通过再次的配光设计来获得满足道路照明要求的灯光输出特性。

　　1.2 LED 的配光方案

　　①LED 的一次配光方案

　　在功率型LED 的制造过程中，为了提高光效率、减少光输出损失和改变光输出特性，封装时均采用透镜工艺。由此可以考虑将LED 的封装透镜工艺与道路照明需要的光输出特性相结合来形成大功率LED的一次配光方案。通过特殊设计的透镜，可以直接获得需要的光输出特性，并由此来叠加合成大功率LED 路灯总的光输出，使其满足道路照明的要求。

　　●斜射矩形透镜封装的LED 配光

　　采用斜射矩形透镜封装配光的原理及光输出模拟(参见图4)。主要研究结论是：

　　

 

　　特别设计的LED 封装透镜为顶部倒圆角的矩形，矩形面呈圆弧状，与水平面保持一定的设计角度，使得其对LED 芯片的光输出方向发生可控的改变。按照通常的路灯安装原则，灯距约为灯高的3 倍。通过计算，灯的光输出角在C0/C180 方向上约为140°，在C90/C270 方向上约为80°，仰角约为10°，可以获得满意的道路光照效果。

　　●双头透镜封装的LED 配光

　　采用双头形透镜的一次配光原理(见图5)具体的设计思路是：为了将LED 的光输出特性改造为满足道路照明要求的蝙蝠翼形，可以将常规的LED一次封装透镜设计成特殊的双头型形式。这样，通过路灯的再次配光设计就能够得到满足道路照明要求的效果。

　　

 

　　②LED 的二次配光方案

　　在现有的大功率LED上再次采用透镜及反光器配光，就是LED 的二次配光方案，也是一种最常用的光的再分配形式，具有设计灵活、应用简单，可以根据具体的道路要求来获得满意效果的LED路灯的配光输出。其方法多种多样，如：采用特殊的、接近于矩形的、非轴对称的波纹形凹透镜或凸透镜，再结合反光器而形成的LED 单元，然后通过LED 单元，使LED的光线输出按照要求的角度发散或会聚，得到合适的光输出特性。

　　●全反射透镜的LED 二次配光

　　采用全反射透镜(见图6)获得预想的光输出特性的研究结果。

　　

 

　　在图6 中，单个LED 采用为轴对称的全反射透镜进行配光。其中间为一平凸非球面透镜，将LED 射出的与光轴夹角±64°的光均匀约束在±30°范围内，剩余的光通过侧柱反射也集中在±30°范围内。最后得到±30°范围内的光均匀输出，光强的远场分布为蝙蝠翼形。

　　通过路灯的配光设计，对于常用的10 m 高度的路灯，将在所要照射的道路上形成长约35 m、宽为10 m 均匀的矩形光照效果。

　　●自由曲面透镜的LED 二次配光

　　图7 给出的是采用自由曲面透镜的研究结果。

　　

 

　　其主要原理是：设计在XY 轴上非对称的长方形自由曲面的光学元件，在X 轴上产生±60°的均匀分布配光，满足道路长度方向上的照明要求;在Y 轴上产生±30°的均匀分布配光，得到具有矩形光照效果的LED 蝙蝠翼形配光。灯具的配光只需将单个LED 单元的光输出进行简单的叠加，直接由LED 的二次配光来完成，满足道路的照明要求。对于不同的道路，只要根据具体要求，改变LED 的数量和灯具的高度即可。

　　●外置透镜和反光器的LED 二次配光

　　采用外置透镜和反光器与单个LED结合形成二次配光单元的配光形式(见图8)。通过有的放矢地选择LED以及合理的透镜设计和反光器曲率的选择可以获得满足要求的LED 二次配光的光输出。

　　

 

　　1.3 LED 路灯的配光方案

　　大功率LED 路灯的配光可以称为LED 的二、三次配光，是在上述单个大功率LED 完成一、二次配光得到了满足或近似符合道路照明要求的单个LED(单元)后的再次配光。主要原理是：平均亮度或平均照度指标是通过调整路灯总的LED(单元)数量多少来满足;均匀度指标是通过路灯的配光方案来实现。

　　具体就是通过单个大功率LED(单元)在路灯中的简单叠加或者空间排列方式来合成路灯的光输出分布。

　　①平面式配光

　　平面配光是将LED路灯中已经经过一次或二次配光设计、光输出为满足要求的蝙蝠翼型的LED 单元，在平面上均匀安装，灯具的作用只需将单个的LED 光输出进行简单的叠加，几乎不需要再次进行配光就可以得到满意的道路照明效果，具体可以参见LED 斜射透镜和双头形透镜的一次配光，以及自由曲面二次配光等内容。

　　②圆柱面式配光

　　很显然，除了LED 单元通过改造后输出的光特性满足道路照明要求的蝙蝠翼型，能够采用平面形灯配光。其它特性的LED 光输出都需要进行路灯的二、三次配光设计才行。图9 给出了采用圆柱面式配光的示意。从图9 中可见：采用窄输出角的LED 单元，如前面提及的±30°范围角的全反射透镜，灯中的LED 单元安装排列为一圆柱弧形，使灯在弧面方向形成±60°的配光。根据不同的灯的安装高度、与水平面的仰角以及灯与灯之间的距离，通过调整圆弧的曲率、改变圆弧方向上LED 的排列密度，在道路上可以获得的照明效果为一沿道路方向近似的矩形面，能得到满意的道路照明效果。

　　

 

　　③多折面式配光

　　在路灯的实际应用中，采用圆柱排列安装配光存在的问题是：单个LED 的散热平面与安装的圆弧面的结合不好，需要特别处理(如处理成多棱柱型)。这样就增加了路灯的散热器以及外壳制造的工艺难度，且成品灯体的厚度也较大。为此可以采用另一种多折面的配光方式来解决上述问题。较简单的方式是采用V字型面方式，但照射效果和出光均匀度有限;效果较好的是采用图10 给出的多折面式配光设计所获得的道路照明方案。路灯中的每组大功率LED 单元分别安装在不同的平面上，通过相对的不同角度来合成路灯的光输出特性，即通过调整各自的角度和LED 单元的排列密度，在道路上获得近似矩型面的照明效果，能够满足照明设计标准中的亮度均匀度和照度等的要求。

　　

 

　　④反射器式配光

　　在传统的以高压钠灯为主流的道路照明灯具中，利用反光器来改变光输出特性是一种必需的配光方式。

　　在LED 照明中，有一种观点认为：由于LED 具有光输出定向性好的特点，可以少用甚至取消反射器。但是在大功率LED 路灯的设计中，为了更充分的利用LED 的周边泄漏光线、改变LED 的光输出特性，反射器的应用与单个的LED 配光进行了很好的结合，通过具有特色的LED反射器的设计来获得满意的路灯灯光的输出特性。

　　图11 给出了特殊设计采用反射器的路灯三次配光原理。与灯的设计相结合，采用大角度出光的功率LED，并为每个LED 单独设计XY 轴方向非对称的反射器，使其获得的光输出接近于蝙蝠翼型，减少了由于透镜的引入而导致的光输出损失，同样可以得到较为满意的道路照明效果。

　　

 

　　1.4 路灯的配光组合及存在的问题

　　无论是采用何种技术手段，单从大功率LED 路灯配光的角度来说，其光输出特性必须满足夜间道路照明的标准要求才具有良好的实用的价值。从LED 的配光开始，一个满足道路设计标准、具有良好光输出特性LED 路灯的配光必须经过多次反复设计才行。下面列出了主要的几种路灯配光组合方案。

　　①LED 一次配光(透镜封装)+灯具的二次配光

　　此种组合方案是采用LED芯片封装透镜的一次配光与灯具的二次配光结合。其优点是：由于LED 的成品器件已经形成了具有矩型的光输出照明效果，在灯具的配光中就可以采用简单的平面配光形式，简化了灯具的设计和加工工艺的难度，使得灯具的体积相对较小，具有扁平、轻薄、外形秀气等特点，并且由于减少了灯总体的配光次数，即减少了LED 输出的光损失，提高了灯具的效率;不足之处是：在LED 芯片封装时需要采用特殊加工的封装透镜和工艺，通用性相对较差，且需要与上游的芯片封装厂商协调，并且由于数量的关系，可能价格较高，操作起来比较困难。

　　②LED 的二次配光单元+灯具的三次配光

　　相对于①中的配光方案，采用LED 二次配光所形成的LED 单元与灯的三次配光相结合，主要优点是：

　　可以直接选用市场上大量提供的LED 器件，具有价格优势且通用性好。通过二次透镜的设计来获得满意的LED 单元的光输出特性，并且在灯的配光中还可以进一步采用三次配光的方式来获得理想的光输出特性;不足之处是：常用材料为PMMA，透镜的效率只有86%左右，LED 二次配光的二次透镜的应用降低了LED 的光输出，降低了灯具的总体效率。此外，灯具需要采用三次配光设计，也增加了灯具的结构设计和加工工艺的难度，使得灯具的体积相对较大、用料较费、造价提高。

　　③LED 路灯的反射器配光

　　反射器的效率高达90%以上。利用前文所提及的反射器式配光方式(参见图11)，在LED 路灯配光上只采用特殊设计的、非对称的反射器来给LED 进行二次配光，而不采用二次透镜配光，避免了由透镜引起的光输出损失，也是一种被看好的配光方式，并且配有反射器的LED单元的光输出特性也能够接近道路照明要求，具有较好的效果。这种配光的突出优点是路灯具有很高的光输出效率。

　　3 结语

　　本文结合城市道路照明设计标准要求，从分析LED芯片的一次配光开始，到由路灯所形成的二、三次配光为止，来研究大功率LED 封装的一次配光和通过二次透镜、反光器等所形成的二次配光的光输出特性，以及由路灯所形成的三次配光的光输出特性。