led(LightEmittingDiode)是21世紀(jì)具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型固體光源夸研，與傳統(tǒng)光源相比具有體積小永部、壽命長(zhǎng)、能耗低啰挪、控制靈活等優(yōu)勢(shì)信不。在道路照明中，隨著白光LED技術(shù)的發(fā)展亡呵，單粒LED的光通量不斷提高抽活，LED取代傳統(tǒng)光源用于LED路燈將成為趨勢(shì)硫戈。光源在空間各個(gè)方向的光強(qiáng)分布即為配光。LED路燈配光是使光線盡可能投射到被照路面各個(gè)區(qū)域酌壕，獲得符合道路照明要求的光分布掏愁，LED路燈配光設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確到

led(LightEmittingDiode)是21世紀(jì)具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型固體光源，與傳統(tǒng)光源相比具有體積小卵牍、壽命長(zhǎng)果港、能耗低、控制靈活等優(yōu)勢(shì)陋锚。在道路照明中潘谴，隨著白光LED技術(shù)的發(fā)展，單粒LED的光通量不斷提高是菇，LED取代傳統(tǒng)光源用于LED路燈將成為趨勢(shì)哆沽。光源在空間各個(gè)方向的光強(qiáng)分布即為配光。LED路燈配光是使光線盡可能投射到被照路面各個(gè)區(qū)域枣肚，獲得符合道路照明要求的光分布贬嚷，LED路燈配光設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確到位是其能否替代傳統(tǒng)路燈的關(guān)鍵因素之一。研究LED路燈配光對(duì)今后LED道路照明的系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究具有重要意義丐鸽。

1 LED路燈配光的特點(diǎn)和要求

　　1.1 LED路燈配光形狀特點(diǎn)
　　在道路照明中汇光，如果沒有對(duì)LED路燈光源配光，照射在路面上的光型為面積較大的圓形光斑郊男，會(huì)有部分光散落到路面之外而沒有被利用旱谐，如圖1(a)所示。
　　為了滿足對(duì)路面的亮度孵堪、照度撤防、均勻度的要求，且盡可能使得大部分光都分布在道路面上以提高燈光的利用率棒口，減少不必要的浪費(fèi)寄月，通常需要對(duì)LED路燈進(jìn)行配光，LED路燈輸出的光線照射在路面上所形成的光型或光斑以矩形為佳无牵，如圖1(b)所示剥懒。

圖1 LED路燈配光示意圖
1.2 道路照明標(biāo)準(zhǔn)配光要求
　　根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，道路照明中道路分為快速路與主干路合敦、次干路初橘、支路，LED道路照明配光要求標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合表1的規(guī)定充岛。

　　表1 道路照明標(biāo)準(zhǔn)值

目前的LED路燈研究主要集中在次干路和支路上的應(yīng)用保檐，光通量小是LED路燈不能應(yīng)用在主干路上的主要原因。在主干路上的應(yīng)用還有待LED技術(shù)的研究和發(fā)展。
表1 道路照明標(biāo)準(zhǔn)值

　　1.3 LED路燈的配光曲線
　　發(fā)光強(qiáng)度的空間分布通常稱為配光曲線夜只。在路燈的下方垒在，光強(qiáng)應(yīng)是最小，隨著仰角θ增加扔亥，光強(qiáng)I增加愚贩。函數(shù)關(guān)系為：
　　
　　即配光曲線表達(dá)式。道路照明單一燈具的理想配光曲線示意圖如圖2所示摹跑。
　　由于光學(xué)設(shè)計(jì)復(fù)雜性米搭，配光形狀難以完全符合函數(shù)關(guān)系，可以減小θ角的投射范圍胚砰，減少燈具的間距來得到均勻照度避纤。一般來說，希望在配光后能實(shí)現(xiàn)寬角度的“蝙蝠翼”形配光敬魏。
　　

　　圖2 理想配光曲線

　　2 LED路燈配光方案及分析

　　LED路燈的配光方案在道路照明要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行蜂棒，同時(shí)要考慮控制眩光和考慮環(huán)境系數(shù)。對(duì)道路照明來說底盅，光效和配光曲線是兩個(gè)重要參數(shù)董株，目前LED路燈配光的方案主要有以下基本形式。
　　2.1 LED路燈的一次配光
　　在功率型LED制造過程中揉贡，封裝時(shí)采用透鏡工藝可提高光效率所饺、減少光輸出損失、改變光輸出特性褪秀，LED的封裝透鏡工藝與大功率的LED路燈照明一次配光有一定的關(guān)系。通過良好的封裝透鏡的設(shè)計(jì)薛训，LED可以獲得較好的光輸出特性媒吗。
　　采用雙頭透鏡封裝的LED配光，可以將單粒LED的光強(qiáng)輸出曲線改造成“蝙蝠翼”形乙埃，以便進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整個(gè)路燈整體光強(qiáng)輸出曲線的“蝙蝠翼”形配光闸英。雙頭透鏡一次配光結(jié)構(gòu)和配光曲線如圖3(a)和圖3(b)所示，該透鏡的設(shè)計(jì)成為其一次配光核心介袜。
　　

　　圖3 雙頭透鏡封裝的LED配光結(jié)構(gòu)和配光曲線示意圖

　　2.2 LED路燈的二次配光
　　對(duì)LED路燈中的大功率LED采用透鏡或反光器進(jìn)一步改變輸出光特性甫何，即為L(zhǎng)ED路燈的二次配光。
　　LED路燈的二次配光主要有以下情況遇伞。
　　采用全反射透鏡的LED二次配光辙喂。光由相對(duì)光密介質(zhì)射向相對(duì)光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)可發(fā)生全反射鸠珠，利用這一原理設(shè)計(jì)軸對(duì)稱全反射透鏡巍耗。
　　例如，使得光束角改變?yōu)椤?0°范圍內(nèi)渐排，有利于進(jìn)一步的配光設(shè)計(jì)馆柬。全反射透鏡如圖4所示筒臂。
　　采用自由曲面透鏡的LED二次配光。該設(shè)計(jì)中吻霎，采用了XY軸方向上非對(duì)稱長(zhǎng)方形配光的自由曲面光學(xué)元件脚自。例如，在X軸上產(chǎn)生±60°的均勻分布的配光睹梢，滿足道路的長(zhǎng)度方向的照明要求联缝，在Y軸上產(chǎn)生±30°均勻分布的配光，得到具有矩形光照效果的LED“蝙蝠翼”形配光奢赡。自由曲面設(shè)計(jì)中通過包括有微分方程法了槽、多參數(shù)優(yōu)化法、多表面同時(shí)設(shè)計(jì)法和剪切法來獲得光源光線分布與照明目標(biāo)面光線分布匹配掷暇。自由曲面透鏡如圖5所示蛙疗。
　　

　　圖4 全反射透鏡
　　

　　圖5 自由曲面透鏡

　　采用外置透鏡和反光器的LED二次配光。選擇合適的透鏡和拋物面的反光器层攀，使出射光線滿足一定的要求曾蚊。外置透鏡和反光器結(jié)合如圖6所示。

　　圖6 外置透鏡和反光器的LED示意圖

　　2.3 LED路燈的三次配光
　　LED路燈的三次配光是在大功率LED一霎肯、二次配光完成的基礎(chǔ)上擎颖，通過對(duì)多個(gè)LED(單元模組)疊加和空間排列實(shí)現(xiàn)，以滿足道路照明平均亮度观游、平均照度和均勻度的要求搂捧。三次配光有以下幾種方式。
　　(1)平面式配光
　　LED路燈設(shè)計(jì)時(shí)采用XY方向非對(duì)稱的矩形配光的自由曲面光學(xué)元件(透鏡或反光杯)懂缕，由于矩形配光在單個(gè)LED光學(xué)元件上已完成允跑，所以整個(gè)LED路燈只需將該LED模組排列在平板上即可。圖7(a)為L(zhǎng)ED路燈的平面式配光示意搪柑。
　　(2)弧面式配光
　　多個(gè)LED排列組成一個(gè)LED模組聋丝，LED模組上的LED是采用軸對(duì)稱的全反射的透鏡或反光杯進(jìn)行配光的，通過透鏡或反光杯配光的輻射角寬度足以覆蓋道路寬度工碾。將LED模組排列在弧面上弱睦，如圖7(b)所示，通過調(diào)整弧面可以在道路方向上產(chǎn)生近乎于矩形光型渊额。

　　圖7 LED路燈的三次配光示意圖

　　(3)多折面式配光
　　LED光線具有良好的方向性况木，為獲得較好的道路配光，分別設(shè)計(jì)各組的LED投射方向負(fù)責(zé)照射各自區(qū)域驶滚，較為簡(jiǎn)單的方式是采用V字型面方式搁蛤。在多折面式配光設(shè)計(jì)時(shí)，路燈中各組的大功率LED分別安裝在不同平面上，通過調(diào)整各組相對(duì)角度來獲得路燈的光輸出特性和近似矩形照明效果建搞，滿足道路照明標(biāo)準(zhǔn)中的要求芥嫉。圖7(c)為多折面式LED路燈示意圖。
　　(4)反光杯式配光
　　通過LED反射器的設(shè)計(jì)來獲得路燈燈光的輸出特性祈岔。為單個(gè)LED單獨(dú)設(shè)計(jì)XY軸方向非對(duì)稱的反射器鲜附，此方案類似于平面式配光，不同的是使用自由曲面反光器口纸，使其獲得光輸出接近于“蝙蝠翼”形屋包，設(shè)計(jì)多個(gè)反射器并排列同樣可以得到較好的道路照明效果。
　　2.4 LED路燈配光方案分析
　　無(wú)論采取何種技術(shù)手段或方案努禽，就LED路燈配光來說厌圈，其光輸出特性滿足夜間道路照明標(biāo)準(zhǔn)要求，該技術(shù)或方案具有良好的使用價(jià)值丸匀。上述配光各有優(yōu)缺點(diǎn)摩疑，如表2所示。一種LED路燈配光方案往往需要進(jìn)行多次配光的組合和反復(fù)設(shè)計(jì)畏铆，以達(dá)到道路照明的標(biāo)準(zhǔn)雷袋。如LED一次配光(透鏡封裝)和燈具的二次配光的組合、LED的二次配光單元和燈具的三次配光的組合辞居、LED路燈的反射器二次配光等楷怒。
　　

　　表2 配光方案的對(duì)比

　　目前，功率型白光LED正朝著單片大功率的方向發(fā)展瓦灶，由于芯片散熱瓶頸制約鸠删，采用多芯片組合封裝的單片大功率LED的散熱相對(duì)困難，光效相對(duì)較低贼陶。
　　所以刃泡，綜合考慮封裝、散熱每界、光效、顯色等因素家卖，通常選擇單個(gè)LED功率在1瓦至數(shù)瓦眨层、光效為90~100lm/W的產(chǎn)品，通過多粒陣列混聯(lián)方式來達(dá)到總體功率要求度堤，LED路燈配光方面則通過在同一平面合理排列具有較好一次配光的LED,并對(duì)該平面的LED整體應(yīng)用自由曲面光學(xué)元件(透鏡或反光杯)進(jìn)行二次配光捅硅，以達(dá)到道路照明配光要求。該方案減少了LED路燈總體的配光次數(shù)沙螺，即減少了LED輸出光的損失桅蕊，提高了燈具的效率;簡(jiǎn)化了燈具的相對(duì)設(shè)計(jì)、加工難度;保證了路面均勻度、照度阅牛、光型;便于整體設(shè)計(jì)朱鹤。
　　因此該方案具有良好的研究前景。
　　LED路燈配光設(shè)計(jì)是LED道路照明應(yīng)用的關(guān)鍵之一秫痪。本文主要分析了LED路燈的配光方案延杯，對(duì)各方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，認(rèn)為基于自由曲面光學(xué)元件的配光設(shè)計(jì)方案具有良好的發(fā)展前景叭舰。LED路燈的配光在LED道路照明中具有重要意義玫斋。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，LED路燈應(yīng)用于道路照明的前景將更加廣闊忱当。