光学设计在大功率LED道路照明上的应用

光学设计在大功率 LED 道路照明上的应用 2009 年 06 月 14 日 星期日 00 49 一 引言 半导体照明 发光二极管 LEDLED 是新型高效固体光源光源 具有节能 环保环保和长寿命等显著优点 将导致 世界照明工业的转型和新兴半导体照明产业的崛起 半导体照明是节能的 富矿 同样亮度下耗电仅为普通白炽灯的 1 10 节能灯节能灯的 1 2 用寿命却可 以延长上 100 倍 随着 LED 技术的快速进步和新的应用不断出现 在特殊照明领域节能效果已经显现 如景观照明 替 代霓虹灯霓虹灯 节能 70 交通信号灯 替代白炽灯 节能 80 如能在 2010 年进入普通照明 节能的效果将 更加显著 二 大功率 LED 术语解释 从消耗功率来讲 我们通常把毫瓦级 LED 称为小功率 把瓦级 LED 称之为大功率大功率 图 1 LED 封装示意图 2 目前通常所见的大功率 LED 分为单芯片大尺寸和多芯片小尺寸组合两种 图 2 大功率 LED 上视图 图 3 大功率 LED 模组 三 三 二次光学设计二次光学设计 术语解释 术语解释 发发 光光 角角 度度 又称功率角度 通常我们使用半功率角度 即 50 发光强度的角度 记作 2 1 2 照照 度度 单位被照面上接收到的光通量称为照度 如果每平方米被照面上接收到的光通量为 1 lm 则照度为 1 lx 单位 勒克斯 lx 照明功率密照明功率密 度度 单位路面面积上的照明安装功率 包含镇流器 功耗 2 2 技术背景技术背景 现在的交通道路道路照明设计照明设计通常采用常规光源的配光曲线呈广角度圆周正态分布 而现在道路照明设计 大都采用单侧照明 这样就会造成局部光源浪费在屋边照明的地方 另外因为依照现在的交通照设计标准 道路方向路灯路灯间距一般是 3 倍于灯高 由于常规光源的配光曲线的关系造成有些光源无法照明的黑暗地带 这不仅造成能源的浪费 也给夜间行驶带来很大的不便 产生安全隐患 图 4 传统路灯屋边照明过多浪费 图 5 传统路灯的灯间不匹配形成照明暗区 3 3 光学设计原理光学设计原理 解决上述问题 本文通过设计一种光学透镜 并封装在大功率 LED 光源上 通过该透镜对光源的发光 方向作出改变 使其传播方向发生偏移 以达到提高灯具灯具的照明利用率 保证夜间行车安全的目的 根据光的折射定侓 光线在经过不同的传播介质时 会在介面上发生传播方向的偏移 偏移的方向同 入射角度及所经过的传播介质的折射率有关 光的折射率公式 n1sin 1 n2sin 2 其中 n1 和 n2 分 别是两个介质的折射率 1 和 2 分别是入射光 或折射光 与界面法线的夹角 叫做入射角和折射角 本文设计的透镜顶部是一个倒圆角的矩形 此矩形与水平面保持一定的斜度 通过光线的折射成为达 到光线偏移的目的 上面有提到现在的道明照明设计中 灯距一般是灯高的 3 倍 而灯高一般等同于道路的路宽 根据几 何三角关系可以计算出照明灯具的配光角度应当为 C0 180 方向约 140 度 C90 270 方向约 80 度 计算的示 意图请参照下面图 6 同样的 为了提高路灯在道路照明利用率 我们尝试让灯具的发光光强中心往道路方向倾斜一定角度 理想状况是光强中心落在道路中心线上 考虑到路灯灯具本身与水平方向会有大约 10 度的仰角 依据几何 三角关系可以计算出灯具发光光强中心要往道路方向偏移 15 20 度 计算的示意图请参照下面图 6 图 6 灯具安装示意图 透镜装配在 LED 支架上 支架上固有大功率 LED 晶片 透镜的表面上可以增镀增透膜 在透镜与晶片 间的空腔采用耐高温硅胶灌封 以减少光线在空腔中的多次反射 直接通过透镜折射出去 此款透镜相对常规 LED 透镜来说 起到偏光增透作用 相当于二次光学透镜与一次透镜融为一体 图 7 光源结构图 图 8 Ray Trace 图 9 Illuminance Map 图 10 Polar Candela Distribution 图 11 Rectangular Candela Distribution 三 道路照明应用 通过特殊光形设计的 LED 应用在路灯灯具上 可以使灯具的发光角度发生偏移 提升了路边的照明利 用率 根据矩形的长宽比可以产生长宽比为 2 1 的光斑 这样相邻的光斑之间则不会出现阴影 可以在路面 上形成一条明亮的照度均匀的光带 因而更符合现在的交通道路的照明设计 而且还提高了灯具的照明效 率 降低了道路的照明功率密度 从而达到节能 绿色环保 应用实例 大功率 LED 路灯 九洲光电 图 12 LED 路灯灯具 图 13 图 14 Polar Candela Distribution C0 180 图 15 Polar Candela Distribution C90 270 图 16 特殊光学设计的路灯形成照明光带 四 结束语 节能 环保的半导体照明 是缓解我国能源紧张的有效途径之一 现在已经没有多少人怀疑半导体照 明的广泛应用和产业前景了 LED 作为绿色 节能 长寿的新一代照明和显示器件中的光源 将在 5 10 年 内大规模取代传统光源 已成为世界各国科技界 产业界的共识 一