大功率发光二极管_LED_路灯配光方案.pdf

17 2009 年 12 月光 源 与 照 明2009 年第 4 期 大功率发光二极管（） 路灯配光方案 杨 光 中国科学技术大学国家同步辐射实验室（合肥 230029） 摘要 由于大功率发光二极管（led）具有发光效率高、使用寿命长、光输出定向性好等特点，因此在道路照明应用中具有得 天独厚的优势。通过对大功率白光 led 的光输出特性、一次配光和二次配光方式的探讨，按照城市道路照明标准的要求来研究大功 率 led 路灯的配光方案，对不同的配光方案所具有的特性以及存在的问题，提出了建议。 关键词 城市道路照明设计标准 大功率 led 光输出特性及配光 大功率 led 路灯配光方案 前言 当前， 以大功率 led 为发光光源专门设计的大功 率 led 路灯层出不穷，其发光效率高 (80 lm/w） 、 使用寿命长 ( 50 000 h） 、光输出定向性好、显色性 能优良（7580） 、可以选择色温以及绿色无污染等特 点， 不仅比传统的以高压钠灯为光源的道路照明节能 30%以上，而且能够按照城市道路照明设计标准的要 求，方便灵活地设计出合乎满意要求的、路灯灯光输 出，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。 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。 图 1 不能满足道路照明要求的配光效果 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 1。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。 图 2 能满足道路照明要求的配光效果 (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 道路照明 18 2009 年第 4 期2009 年 12 月光 源 与 照 明 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， 性能指标有了显著的 提高 2。 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 110w 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。 图 3 常见的 led 光强特性曲线 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 90100 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 led 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 3 （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。 图 4 采用斜射矩形透镜的 led 一次配光方案及出光效果 双头透镜封装的 led 配光 采用双头形透镜的一次配光原理 4（见图 5） 。 蝙蝠翼型分布 相对强度/% 100 80 60 40 20 -100 -602020 60100 角度/ 郎伯型分布 侧发光型分布 -120 -100 -60-20 2060 100 120 100 80 60 40 20 角度/ 聚光型分布 加准直器 -100 -60-2020 60100 100 80 60 40 20 -40-2002040 角度/ 100 80 60 40 20 角度/ 出光光线 光学增透膜 封装透镜 led 支架 芯片 19 2009 年 12 月光 源 与 照 明2009 年第 4 期 图 5 双头透镜的 led 一次配光方案 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。 led 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 5。 图 6 全反射透镜的 led 二次配光 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 5。 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。 图 7 自由曲面透镜的 led 二次配光 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 6（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。 led 芯片 透镜 底板 看到的 led 芯片的像 峰值接近 60 30 30 3060 f 20 2009 年第 4 期2009 年 12 月光 源 与 照 明 图 8 外置透镜和反光器的 led 二次配光 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。 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。 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 5。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。 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。 图 10 多折面灯的三次配光结构及效果示意 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 路灯灯杆 50 m 9 m 120 120 30 15 led led 直接反光结构 抛 物 线 光学透镜 透明灯罩 图9 圆柱面灯配光结构示意 反光结构 21 2009 年 12 月光 源 与 照 明2009 年第 4 期 为满意的道路照明效果。 图 11 led 单独设计的非对称反射器配光 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。 led 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。 led 的二次配光单元灯具的三次配光 相对于中的配光方案， 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 8。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。 led 路灯的反射器配光 反射器的效率高达 90%以上 8。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。 结束语 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。 此外， 虽然大功率白光 led 路灯