LED路灯二次光学设计优化方法

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：LED路灯输出功率或光度都比普通商用或家用照明高得多，因此LED驱动设计要求并不一样。表5-4 几种照明光源的性能指标LED的二次光学设计决定了LED路灯的配光及光输出效率，是评判LED路灯整灯质量最重要的组成部分之一。LED路灯矩形光斑的二次配光可以由几种技术来实现。整体LED路灯经测试表明达到了比较好的配光效果，其均匀度为0.57。

LED路灯输出功率或光度都比普通商用或家用照明高得多，因此LED驱动设计要求并不一样。几种常见照明光源的性能指标，见表5-4。

表5-4 几种照明光源的性能指标

LED的二次光学设计决定了LED路灯的配光及光输出效率，是评判LED路灯整灯质量最重要的组成部分之一。目前，LED路灯所运用的LED大致为单颗集成式和单颗阵列式两种，单颗集成式LED模组有30W、50W、60W、75W、90W、100W甚至200W的，现在厂家用的透镜基本都是采用玻璃制作的，但玻璃加工难度大，批量制造一致性差，机床、模具和工人操作都会对其加工精度产生影响。另外，也不适宜用PMMA塑料制造的透镜，因为集成LED模组所用透镜体形大，为了能够达到配光的效果，内部结构之间的厚度相差很大，注塑成形后也会因收缩率不同而产生变形，因此难以达到准确配光。

国内生产各类道路照明灯具的生产厂家也不少，而目前在大功率LED道路照明方面，仅简单地进行多芯片或多器件组合，故在实际的照射面积、有效面积的照度不均匀性等方面都很难达到相关标准，也就无法将LED路灯应用到支路照明、次干道照明进而拓展到主干道照明领域，而如果硬要为达标准而增加功率，则LED高光效的特点就不复存在。

要设计适用于半导体道路照明的高效光学系统，关键在于设计出有效可靠的光学系统，使光源发出的光均匀地分配在道路上面，即解决有序光能量的传输问题，这正是非成像光学的一个主要的研究方向，即给定照度分布光学系统的设计。

LED路灯矩形光斑的二次配光可以由几种技术来实现。采用其中的一种非对称自由曲面技术时，透镜呈半球形，不同于现在常见的长条形透镜。该透镜应用于集成光源。LED路灯玻璃透镜，如图5-4a所示。一般选择蝙蝠翼配光，使光强能均匀而分布较宽。根据不同需要，配备不同的凸面曲线，依靠透镜将光线分配到不同方向，保证出光角度大到160°、小到30°。透镜一旦定型，在保证生产工艺的前提下，同种灯具的配光特性也就达到了一致。选用透光率好的材料，透光率达到95%以上。

LED路灯采用单颗1W阵列式方案，二次配光由单个LED光学元件完成，路灯灯头只要用矩形配光的模块做一个阵列式安装，即可达到理想的使用效果。整体LED路灯经测试表明达到了比较好的配光效果，其均匀度为0.57。现在的LED路灯采用单颗1W（MC PCB集成化封装）的LED，外面加装二次光学透镜，如图5-4b所示，透镜采用非球面光学设计，对LED所发出的光线的聚光效果可以达到90%以上；专为大功率LED路灯而设计，矩形光斑50～120°，光斑均匀度良好；采用桥式设计，中间的非球面透镜设计与LED紧密接触，透镜两端采用螺钉孔安装设计，一个透镜对应一个LED，灯具的安装更加方便。

图5-4 大功率LED路灯透镜

大功率LED工程照明应用的另一个关键问题是配光问题。传统光源照射方向为360°，灯具依靠反射器将大部分光线反射到特定方位。一般来说，其有效光为光源的40%～70%，光源光输出的很大一部分被限制在灯具内部发热消耗掉。大功率LED路灯配光图如图5-5所示。

为达到道路、隧道、厂区等不同场合的照明标准要求，充分发挥芯片整体封装的特点，采用透镜，通过光学设计，根据不同需要，配备不同的凸面曲线，依靠透镜将光线分配到不同方向，保证出光角度大的可以达到120°～160°，小的可以聚集在30°以内。透镜一旦定型，在保证生产工艺的前提下，同种灯具的配光特性也就达到了一致。目前隧道灯、路灯和一般照明灯已达到各自应用场所的照明要求。

图5-5 大功率LED路灯配光图

LED路灯二次光学设计优化方法

相关推荐