LED路灯配光研究

By | 2020年7月24日

  0 引言


  LED (Light Emitting Diode)是21世纪具备竞争力的新型固体光源,与传统光源相比具备体积小、寿命长、能耗低、管制灵敏等劣势。正在路线照明中,跟着白光LED技巧的倒退,单粒LED的光通量一直进步,LED庖代传统光源用于LED路灯将成为趋向。光源正在空间各个标的目的的光强散布即为配光。LED路灯配光是使光线尽可能投射到被照路面各个区域,取得合乎路线照明要求的光散布,LED路灯配光设计能否精确到位是其是否代替传统路灯的要害要素之一。钻研LED路灯配光对从此LED路线照明的零碎设计钻研具备首要意思。


  1 LED路灯配光的特性以及要求


  1. 1 LED路灯配光形态特性


  正在路线照明中,假如不对LED路灯光源配光,照耀正在路面上的光型为面积较年夜的圆形光斑,会有局部光散落到路面以外而不被行使,如图1(a)所示。为了餍足对路面的亮度、照度、平均度的要求,且尽可能使患上年夜局部光都散布正在路线面上以进步灯光的行使率,缩小不用要的糜费,通常需求对LED路灯进行配光,LED路灯输入的光线照耀正在路面上所构成的光型或光斑以矩形为佳,如图1(b)所示。



  图1LED路灯配光表示图


  1.2 路线照明规范配光要求


  依据《都会路线照明设计规范》要求,路线照明中路线分为疾速路与骨干路、次干路、支路,LED路线照明配光要求规范值应合乎表1的规则。


  表1路线照明规范值



  今朝的LED路灯钻研次要集中正在次干路以及支路上的使用,光通量小是LED路灯不克不及使用正在骨干路上的次要缘由。正在骨干路上的使用另有待LED技巧的钻研以及倒退。


  1. 3 LED路灯的配光曲线


  发光强度的空间散布通常称为”配光曲线”。正在路灯的下方,光强应是最小,跟着仰角θ添加,光强Io添加。函数关系为,即配光曲线表白式。路线照明繁多灯具的理想、配光曲线表示图如图2所示。因为光学设计复杂性,配光形态难以齐全合乎函数关系,能够减小θ角的投射范畴,缩小灯具的间距来失去平均照度。普通来讲,心愿正在配光后能完成宽角度的”蝙蝠翼”形配光。



  图2 理想配光曲线


  2 LED路灯配光计划及剖析


  LED路灯的配光计划正在路线照明要求的根底上进行,同时要思考管制眩光以及思考环境系数。对路线照明来讲,光效以及配光曲线是两个首要参数,今朝LED路灯配光的计划次要有如下根本方式。


  2.1 LED路灯的一次配光


  正在功率型LED制作进程中,封装时采纳透镜工艺可进步光效率、缩小光输入丧失、扭转光输入特点,LED的封装透镜工艺与年夜功率的LED路灯照明一次配光有肯定的关系。经过精良的封装透镜的设计,LED能够取得较好的光输入特点。


  采纳双头透镜封装的LED配光,能够将单粒LED的光强输入曲线革新成”蝙蝠翼”形,以便进一步完成整个路灯全体光强输入曲线的”蝙蝠翼”形配光。双头透镜一次配光构造以及配光曲线如图3(a)以及图3(b)所示,该透镜的设计成为其一次配光外围。



  图3 双头透镜封装的LED配光构造以及配光曲线表示图

 

  2.2 LED路灯的二次配光


  对LED路灯中的年夜功率LED采纳透镜或反光器进一步扭转输入光特点,即为LED路灯的二次配光。LED路灯的二次配光次要有如下状况。



  图3 双头透镜封装的LED配光构造以及配光曲线表示图


  采纳全反射透镜的LED二次配光。光由绝对光密介质射向绝对光疏介庚,当人射角年夜于临界角时可发作全反射,行使这一原理设计轴对称全反射透镜。例如,使患上光束角扭转为±30°范畴内,无利于进一步的配光设计。全反射透镜如图4所示。



  圈4 全反射透镜


  采纳自在曲面透镜的LED二次配光。该设计中,采纳了XY轴标的目的上非对称长方形配光的自在曲面光学元件。例如,正在X轴上孕育发生±60°的平均散布的配光,餍足路线的长度标的目的的照明要求,正在Y轴上孕育发生±30°平均散布的配光,失去具备矩形光照成果的LED”蝙蝠翼”形配光。自在曲面设计中经过包罗有微分方程法、多参数优化法、多外表同时设计法以及剪切法来取得光源光线散布与照明指标面光线散布婚配。自在曲面透镜如图5所示。



  图5 自在曲面透镜


  采纳外置透镜以及反光器的LED二次配光。抉择合适的透镜以及抛物面的反光器,使出射光线餍足肯定的要求。外置透镜以及反光器连系如图6所示。



  图6 外置透镜以及反光器的LED表示图


  2.3 LED路灯的三次配光


  LED路灯的三次配光是正在年夜功率LED1、二次配光实现的根底上,经过对多个LED(单位模组)叠加以及空间陈列完成,以餍足路线照明均匀亮度、均匀照度以及平均度的要求。三次配光有如下几种形式。


  (1)立体式配光


  LED路灯设计时采纳XY标的目的非对称的矩形配光的自在曲面光学元件(透镜或反光杯),因为矩形配光正在单个LED光学元件上己实现,以是整个LED路灯只要将该LED模组陈列正在平板上便可。图7(a)为LED路灯的立体式配光表示。


  (2)弧面式配光


  多个LED陈列组成一个LED模组,LED模组上的LED是采纳轴对称的全反射的透镜或反光杯进行配光的,经过透镜或反光杯配光的辐射角宽度足以笼罩路线宽度。将LED模组陈列正在弧面上,如图7(b)所示,经过调整弧面能够正在路线标的目的上孕育发生近乎于矩形光型。



  图7 LED路灯的三次配光表示图


  (3 )多折面式配光


  LED光线具备精良的标的目的性,为取得较好的路线配光,辨别设计各组的LED技射标的目的担任照耀各自区域,较为简略的形式是采纳V宇型面形式。正在多折面式配光设计时,路灯中各组的年夜功率LED辨别装置正在没有同立体上,经过调整各组绝对角度来取得路灯的光输入特点以及近似矩形照明成果,餍足路线照明规范中的要求。图7(c)为多折面式LED路灯表示图。


  (4)反光杯式配光


  经过LED反射器的设计来取得路灯灯光的输入特点。为单个LED独自设计XY轴标的目的非对称的反射器,此计划相似于立体式配光,没有同的是应用自在曲面反光器,使其取得光输入靠近于”蝙蝠翼”形,设计多个反射器并陈列一样能够失去较好的路线照明成果。


  2.4 LED路灯配光计划剖析


  元论采取何种妙技或计划,就LED路灯配光来讲,其光输入特点餍足夜间路线照明规范要求,该技巧或计划具备精良的应用代价。上述配光各有优缺陷,如表2所示。一种LED路灯配光计划往往需求进行屡次配光的组合以及重复设计,以达到路线照明的规范。如LED一次配光(透镜封装)以及灯具的二次配光的组合、LED的二次配光单位以及灯具的三次配光的组合、LED路灯的反射器二次配光等。


  表2 配光计划的比照



  今朝,功率型自光LED正朝着单片年夜功率的标的目的倒退,因为芯片散热瓶颈制约,采纳多芯片组合封装的单片年夜功率LED的散热绝对艰难,光效绝对较低。以是,综合思考封装、散热、光效、显色等要素,通常抉择单个LED功率正在1瓦至数瓦、光效为90-1001m/W的产物,经过多粒阵列混联形式来达到总体功率要求,LED路灯配光方面则经过正在同一立体正当陈列具备较好一次配光的LED,并对该立体的LED全体使用自在曲面光学元件(透镜或反光杯)进行二次配光,以达到路线照明配光要求。该计划缩小了LED路灯总体的配光次数,即缩小了LED输入光的丧失,进步了灯具的效率;简化了灯具的绝对设计、加工难度;保障了路面平均度、照度、光型;便于全体设计。因而该计划具备精良的钻研前景。


  3 小结


  LED路灯配光设计是LED路线照明使用的要害之一。本文次要剖析了LED路灯的配光计划,对各计划的优缺陷进行了比拟,以为基于自在曲面光学元件的配光设计计划具备精良的倒退前景。LED路灯的配光正在LED路线照明中具备首要意思。跟着LED技巧的一直倒退,LED路灯使用于路线照明的前景将愈加广阔。


 


编纂:Cedar