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。