1 前言

　　當(dāng)前，以大功率LED 為發(fā)光光源專門設(shè)計的大功率LED 路燈層出不窮，其發(fā)光效率高（>80 lm/W）、使用壽命長（＞ 50 000 h）、光輸出定向性好、顯色性能優(yōu)良（75~80）、可以選擇色溫以及綠色無污染等特點，不僅比傳統(tǒng)的以高壓鈉燈為光源的道路照明節(jié)能30%以上，而且能夠按照城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的要求，方便靈活地設(shè)計出合乎滿意要求的、路燈燈光輸出，具有很高的光利用效率，已發(fā)展成為極具競爭力的第四代優(yōu)質(zhì)道路照明光源。

　　2 路燈的配光方案

　?。?） 道路照明對路燈光輸出的要求

　　較早時期的大功率LED路燈只是模仿以高壓鈉燈為主的道路照明燈具的形式，通過利用LED 來替代常用的高壓鈉燈光源，結(jié)構(gòu)非常簡單。一般直接選用常規(guī)的路燈外殼、結(jié)構(gòu)件及光輸出角度較大的功率LED作為發(fā)光器件，采用在兼有反光器和散熱器功能、背面有散熱鰭片的金屬平面上將LED 簡單地等距離排列，并通過LED 陣列混聯(lián)的方式來獲得較大的燈功率輸出和較強的光輸出。由于沒有針對LED 的出光特點和道路照明標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行LED 路燈的二次、三次配光設(shè)計，因此就如圖1 所示的那樣：路燈的光輸出在路面上形成一個圓形光斑，造成在道路方向上的照明角度有限，圓形光斑之間由于沒有光的平滑疊加過渡而形成明顯的暗區(qū)——斑馬效應(yīng)；在道路垂直方向上散落在道路邊外而沒有被利用的光較多，無法滿足道路照明對路燈光輸出特性的要求。

　　為了滿足對路面亮度和路面照度的要求，路燈的光強輸出曲線沿著道路方向必須是“蝙蝠翼”型的，在垂直于道路方向上滿足均勻度的要求。路燈的光輸出配光應(yīng)該像圖2 所示，為長方形的均勻光斑，使得絕大部分的光都分布在路面上，盡可能地提高燈光的利用效率，減少不必要的浪費。

　?。?） LED 及LED 路燈的配光方案

　　路燈是一種極為重要的功能性照明設(shè)備，是為了保障夜間道路交通安全而設(shè)置的，其光輸出特性必須要滿足夜間汽車駕駛?cè)藛T及行人的視覺分辨要求，因此LED路燈的配光方案就是要在道路照明要求的基礎(chǔ)上從單個的LED 配光著手來進(jìn)行。

　　1.1 LED 的光輸出特性

　　隨著LED 技術(shù)的快速進(jìn)步，性能指標(biāo)有了顯著的提高。特別是作為第四代照明主流的大功率白光LED的性能有了很大的提高。依據(jù)使用要求的不同，以單片封裝的功率來區(qū)分：從1~10W 直到上百瓦、幾百瓦不等；從LED 封裝透鏡的配光輸出光強特性來區(qū)分，主要有：朗伯型、側(cè)發(fā)光型、蝙蝠翼型、聚光型（準(zhǔn)直）等類型，輸出的特性曲線如圖3 所示。

　　目前，功率型白光LED 正在朝著單片大功率的方向發(fā)展，但是由于芯片散熱瓶頸的制約，采用多芯片組合封裝的單片超大功率LED 的散熱相對困難，光效相對較低，幾乎功率越大的單片LED 相對的光效就越低。在大功率LED 路燈的設(shè)計中，大功率LED 的選擇需要考慮一次封裝特性、發(fā)光效率、安裝工藝要求、二次三次配光設(shè)計、使用環(huán)境、散熱條件、與驅(qū)動控制器的輸出特性配合等諸多問題，因此綜合以上多種因素，以及實際的應(yīng)用，路燈中選擇LED 的主流趨勢是：單個LED 的功率在1 瓦至數(shù)瓦左右、顯色性好、色溫一致、光效90~100 lm/W 的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為設(shè)計的最佳選擇。在路燈的功率上，通過多顆陣列混聯(lián)的方式來得要求的總的發(fā)光功率；在光的輸出特性上，朗伯型、蝙蝠翼型和聚光型應(yīng)用較多，但是一般都不能直接應(yīng)用到路燈中去，必須通過再次的配光設(shè)計來獲得滿足道路照明要求的燈光輸出特性。

1.2 LED 的配光方案

　?、貺ED 的一次配光方案

　　在功率型LED 的制造過程中，為了提高光效率、減少光輸出損失和改變光輸出特性，封裝時均采用透鏡工藝。由此可以考慮將LED 的封裝透鏡工藝與道路照明需要的光輸出特性相結(jié)合來形成大功率LED的一次配光方案。通過特殊設(shè)計的透鏡，可以直接獲得需要的光輸出特性，并由此來疊加合成大功率LED 路燈總的光輸出，使其滿足道路照明的要求。

　　●斜射矩形透鏡封裝的LED 配光

　　采用斜射矩形透鏡封裝配光的原理及光輸出模擬（參見圖4）。主要研究結(jié)論是：

　　特別設(shè)計的LED 封裝透鏡為頂部倒圓角的矩形，矩形面呈圓弧狀，與水平面保持一定的設(shè)計角度，使得其對LED 芯片的光輸出方向發(fā)生可控的改變。按照通常的路燈安裝原則，燈距約為燈高的3 倍。通過計算，燈的光輸出角在C0/C180 方向上約為140°，在C90/C270 方向上約為80°，仰角約為10°，可以獲得滿意的道路光照效果。

　　●雙頭透鏡封裝的LED 配光

　　采用雙頭形透鏡的一次配光原理（見圖5）具體的設(shè)計思路是：為了將LED 的光輸出特性改造為滿足道路照明要求的蝙蝠翼形，可以將常規(guī)的LED一次封裝透鏡設(shè)計成特殊的雙頭型形式。這樣，通過路燈的再次配光設(shè)計就能夠得到滿足道路照明要求的效果。

　?、贚ED 的二次配光方案

　　在現(xiàn)有的大功率LED上再次采用透鏡及反光器配光，就是LED 的二次配光方案，也是一種最常用的光的再分配形式，具有設(shè)計靈活、應(yīng)用簡單，可以根據(jù)具體的道路要求來獲得滿意效果的LED路燈的配光輸出。其方法多種多樣，如：采用特殊的、接近于矩形的、非軸對稱的波紋形凹透鏡或凸透鏡，再結(jié)合反光器而形成的LED 單元，然后通過LED 單元，使LED的光線輸出按照要求的角度發(fā)散或會聚，得到合適的光輸出特性。

　　●全反射透鏡的LED 二次配光

　　采用全反射透鏡（見圖6）獲得預(yù)想的光輸出特性的研究結(jié)果。

　　在圖6 中，單個LED 采用為軸對稱的全反射透鏡進(jìn)行配光。其中間為一平凸非球面透鏡，將LED 射出的與光軸夾角±64°的光均勻約束在±30°范圍內(nèi)，剩余的光通過側(cè)柱反射也集中在±30°范圍內(nèi)。最后得到±30°范圍內(nèi)的光均勻輸出，光強的遠(yuǎn)場分布為蝙蝠翼形。

　　通過路燈的配光設(shè)計，對于常用的10 m 高度的路燈，將在所要照射的道路上形成長約35 m、寬為10 m 均勻的矩形光照效果。

　　●自由曲面透鏡的LED 二次配光

　　圖7 給出的是采用自由曲面透鏡的研究結(jié)果。

　其主要原理是：設(shè)計在XY 軸上非對稱的長方形自由曲面的光學(xué)元件，在X 軸上產(chǎn)生±60°的均勻分布配光，滿足道路長度方向上的照明要求；在Y 軸上產(chǎn)生±30°的均勻分布配光，得到具有矩形光照效果的LED 蝙蝠翼形配光。燈具的配光只需將單個LED 單元的光輸出進(jìn)行簡單的疊加，直接由LED 的二次配光來完成，滿足道路的照明要求。對于不同的道路，只要根據(jù)具體要求，改變LED 的數(shù)量和燈具的高度即可。

　　●外置透鏡和反光器的LED 二次配光

　　采用外置透鏡和反光器與單個LED結(jié)合形成二次配光單元的配光形式（見圖8）。通過有的放矢地選擇LED以及合理的透鏡設(shè)計和反光器曲率的選擇可以獲得滿足要求的LED 二次配光的光輸出。

　　1.3 LED 路燈的配光方案

　　大功率LED 路燈的配光可以稱為LED 的二、三次配光，是在上述單個大功率LED 完成一、二次配光得到了滿足或近似符合道路照明要求的單個LED（單元）后的再次配光。主要原理是：平均亮度或平均照度指標(biāo)是通過調(diào)整路燈總的LED（單元）數(shù)量多少來滿足；均勻度指標(biāo)是通過路燈的配光方案來實現(xiàn)。

　　具體就是通過單個大功率LED（單元）在路燈中的簡單疊加或者空間排列方式來合成路燈的光輸出分布。

　　①平面式配光

　　平面配光是將LED路燈中已經(jīng)經(jīng)過一次或二次配光設(shè)計、光輸出為滿足要求的蝙蝠翼型的LED 單元，在平面上均勻安裝，燈具的作用只需將單個的LED 光輸出進(jìn)行簡單的疊加，幾乎不需要再次進(jìn)行配光就可以得到滿意的道路照明效果，具體可以參見LED 斜射透鏡和雙頭形透鏡的一次配光，以及自由曲面二次配光等內(nèi)容。

　　②圓柱面式配光

　　很顯然，除了LED 單元通過改造后輸出的光特性滿足道路照明要求的蝙蝠翼型，能夠采用平面形燈配光。其它特性的LED 光輸出都需要進(jìn)行路燈的二、三次配光設(shè)計才行。圖9 給出了采用圓柱面式配光的示意。從圖9 中可見：采用窄輸出角的LED 單元，如前面提及的±30°范圍角的全反射透鏡，燈中的LED 單元安裝排列為一圓柱弧形，使燈在弧面方向形成±60°的配光。根據(jù)不同的燈的安裝高度、與水平面的仰角以及燈與燈之間的距離，通過調(diào)整圓弧的曲率、改變圓弧方向上LED 的排列密度，在道路上可以獲得的照明效果為一沿道路方向近似的矩形面，能得到滿意的道路照明效果。

　　③多折面式配光

　　在路燈的實際應(yīng)用中，采用圓柱排列安裝配光存在的問題是：單個LED 的散熱平面與安裝的圓弧面的結(jié)合不好，需要特別處理（如處理成多棱柱型）。這樣就增加了路燈的散熱器以及外殼制造的工藝難度，且成品燈體的厚度也較大。為此可以采用另一種多折面的配光方式來解決上述問題。較簡單的方式是采用V字型面方式，但照射效果和出光均勻度有限；效果較好的是采用圖10 給出的多折面式配光設(shè)計所獲得的道路照明方案。路燈中的每組大功率LED 單元分別安裝在不同的平面上，通過相對的不同角度來合成路燈的光輸出特性，即通過調(diào)整各自的角度和LED 單元的排列密度，在道路上獲得近似矩型面的照明效果，能夠滿足照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的亮度均勻度和照度等的要求。

　?、?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/反射器" title="反射器" target="_blank">反射器式配光

　　在傳統(tǒng)的以高壓鈉燈為主流的道路照明燈具中，利用反光器來改變光輸出特性是一種必需的配光方式。

　　在LED 照明中，有一種觀點認(rèn)為：由于LED 具有光輸出定向性好的特點，可以少用甚至取消反射器。但是在大功率LED 路燈的設(shè)計中，為了更充分的利用LED 的周邊泄漏光線、改變LED 的光輸出特性，反射器的應(yīng)用與單個的LED 配光進(jìn)行了很好的結(jié)合，通過具有特色的LED反射器的設(shè)計來獲得滿意的路燈燈光的輸出特性。

　　圖11 給出了特殊設(shè)計采用反射器的路燈三次配光原理。與燈的設(shè)計相結(jié)合，采用大角度出光的功率LED，并為每個LED 單獨設(shè)計XY 軸方向非對稱的反射器，使其獲得的光輸出接近于蝙蝠翼型，減少了由于透鏡的引入而導(dǎo)致的光輸出損失，同樣可以得到較為滿意的道路照明效果。

　　1.4 路燈的配光組合及存在的問題

　　無論是采用何種技術(shù)手段，單從大功率LED 路燈配光的角度來說，其光輸出特性必須滿足夜間道路照明的標(biāo)準(zhǔn)要求才具有良好的實用的價值。從LED 的配光開始，一個滿足道路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、具有良好光輸出特性LED 路燈的配光必須經(jīng)過多次反復(fù)設(shè)計才行。下面列出了主要的幾種路燈配光組合方案。

　?、貺ED 一次配光（透鏡封裝）+燈具的二次配光

　　此種組合方案是采用LED芯片封裝透鏡的一次配光與燈具的二次配光結(jié)合。其優(yōu)點是：由于LED 的成品器件已經(jīng)形成了具有矩型的光輸出照明效果，在燈具的配光中就可以采用簡單的平面配光形式，簡化了燈具的設(shè)計和加工工藝的難度，使得燈具的體積相對較小，具有扁平、輕薄、外形秀氣等特點，并且由于減少了燈總體的配光次數(shù)，即減少了LED 輸出的光損失，提高了燈具的效率；不足之處是：在LED 芯片封裝時需要采用特殊加工的封裝透鏡和工藝，通用性相對較差，且需要與上游的芯片封裝廠商協(xié)調(diào)，并且由于數(shù)量的關(guān)系，可能價格較高，操作起來比較困難。

　?、贚ED 的二次配光單元＋燈具的三次配光

　　相對于①中的配光方案，采用LED 二次配光所形成的LED 單元與燈的三次配光相結(jié)合，主要優(yōu)點是：

　　可以直接選用市場上大量提供的LED 器件，具有價格優(yōu)勢且通用性好。通過二次透鏡的設(shè)計來獲得滿意的LED 單元的光輸出特性，并且在燈的配光中還可以進(jìn)一步采用三次配光的方式來獲得理想的光輸出特性；不足之處是：常用材料為PMMA，透鏡的效率只有86%左右，LED 二次配光的二次透鏡的應(yīng)用降低了LED 的光輸出，降低了燈具的總體效率。此外，燈具需要采用三次配光設(shè)計，也增加了燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計和加工工藝的難度，使得燈具的體積相對較大、用料較費、造價提高。

　?、跮ED 路燈的反射器配光

　　反射器的效率高達(dá)90%以上。利用前文所提及的反射器式配光方式（參見圖11），在LED 路燈配光上只采用特殊設(shè)計的、非對稱的反射器來給LED 進(jìn)行二次配光，而不采用二次透鏡配光，避免了由透鏡引起的光輸出損失，也是一種被看好的配光方式，并且配有反射器的LED單元的光輸出特性也能夠接近道路照明要求，具有較好的效果。這種配光的突出優(yōu)點是路燈具有很高的光輸出效率。

　　3 結(jié)語

　　本文結(jié)合城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，從分析LED芯片的一次配光開始，到由路燈所形成的二、三次配光為止，來研究大功率LED 封裝的一次配光和通過二次透鏡、反光器等所形成的二次配光的光輸出特性，以及由路燈所形成的三次配光的光輸出特性。

　　此外，雖然大功率白光LED 路燈具有許多得天獨厚的優(yōu)勢，且在小范圍內(nèi)已經(jīng)得到了應(yīng)用，但是離大規(guī)模的推廣還有一段較長的路要走。其中路燈的光輸出特性與道路的要求不吻合是主要的問題之一，有許多細(xì)節(jié)需要進(jìn)行深入的研究，要通過科學(xué)合理的配光設(shè)計來獲得既滿足道路照明要求，又具有良好應(yīng)用效果的LED 燈具。