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LED路灯配光研究[1]

2014-1-7  来源:(重庆邮电大学光电工程学院,重庆400065)  作者:罗元 毛建伟  有3979人阅读

LED道路照明是LED绿色照明的重要应用领域之一。LED路灯配光设计则是其中的一项关键共性技术。对主要应用在次干路、支路的LED路灯的配光特点及配光要求进行阐述,分析现有的典型配光方案,认为基于自由曲面光学元件的配光设计方案具有良好的研究前景。

  0 引言

  LED (Light Emitting Diode)是21世纪具有竞争力的新型固体光源,与传统光源相比具有体积小、寿命长、能耗低、控制灵活等优势。在道路照明中,随着白光LED技术的发展,单粒LED的光通量不断提高,LED取代传统光源用于LED路灯将成为趋势。光源在空间各个方向的光强分布即为配光。LED路灯配光是使光线尽可能投射到被照路面各个区域,获得符合道路照明要求的光分布,LED路灯配光设计是否准确到位是其能否替代传统路灯的关键因素之一。研究LED路灯配光对今后LED道路照明的系统设计研究具有重要意义。

  1 LED路灯配光的特点和要求

  1. 1 LED路灯配光形状特点

  在道路照明中,如果没有对LED路灯光源配光,照射在路面上的光型为面积较大的圆形光斑,会有部分光散落到路面之外而没有被利用,如图1(a)所示。为了满足对路面的亮度、照度、均匀度的要求,且尽可能使得大部分光都分布在道路面上以提高灯光的利用率,减少不必要的浪费,通常需要对LED路灯进行配光,LED路灯输出的光线照射在路面上所形成的光型或光斑以矩形为佳,如图1(b)所示。

  图1LED路灯配光示意图

  1.2 道路照明标准配光要求

  根据《城市道路照明设计标准》要求,道路照明中道路分为快速路与主干路、次干路、支路,LED道路照明配光要求标准值应符合表1的规定。

  表1道路照明标准值

  目前的LED路灯研究主要集中在次干路和支路上的应用,光通量小是LED路灯不能应用在主干路上的主要原因。在主干路上的应用还有待LED技术的研究和发展。

  1. 3 LED路灯的配光曲线

  发光强度的空间分布通常称为"配光曲线"。在路灯的下方,光强应是最小,随着仰角θ增加,光强Io增加。函数关系为,即配光曲线表达式。道路照明单一灯具的理想、配光曲线示意图如图2所示。由于光学设计复杂性,配光形状难以完全符合函数关系,可以减小θ角的投射范围,减少灯具的间距来得到均匀照度。一般来说,希望在配光后能实现宽角度的"蝙蝠翼"形配光。

  图2 理想配光曲线

  2 LED路灯配光方案及分析

  LED路灯的配光方案在道路照明要求的基础上进行,同时要考虑控制眩光和考虑环境系数。对道路照明来说,光效和配光曲线是两个重要参数,目前LED路灯配光的方案主要有以下基本形式。

  2.1 LED路灯的一次配光

  在功率型LED制造过程中,封装时采用透镜工艺可提高光效率、减少光输出损失、改变光输出特性,LED的封装透镜工艺与大功率的LED路灯照明一次配光有一定的关系。通过良好的封装透镜的设计,LED可以获得较好的光输出特性。

  采用双头透镜封装的LED配光,可以将单粒LED的光强输出曲线改造成"蝙蝠翼"形,以便进一步实现整个路灯整体光强输出曲线的"蝙蝠翼"形配光。双头透镜一次配光结构和配光曲线如图3(a)和图3(b)所示,该透镜的设计成为其一次配光核心。

  图3 双头透镜封装的LED配光结构和配光曲线示意图

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