LED道路照明系统的光学设计及发展趋势
蒋金波 杜雪 李荣斌 张志辉
摘要
良好的道路照明要求路灯的光斑有极好的均匀度、没有热点、消除眩光和光污染，给人们提供友好的照明环境。光学是直接决定LED路灯的输出效率、配光曲线、光斑均匀性的最主要的因素。光学设计的好坏决定了LED路灯能不能符合城市道路照明设计标准、是不是造成光能浪费、安全性能与眩光指数是否达标。不同于其他的技术，LED路灯的光学涉及到理论计算、计算机模拟及优化、光学元件的超精密加工和模具制造等诸多环节。本文介绍了LED道路照明系统的光学系统设计及发展趋势。 1、LED道路照明系统的背景介绍
为了满足城市道路照明设计标准，传统的道路照明灯具往往采用耗电200瓦以上含水银的灯泡。相比之下，到2009年，市场上发光二极管（LED）的光学效率已经超过了100lm/W，这意味着采用LED作光源的路灯，其耗电量将会大大的减少。由于LED的超长寿命、不含汞和节能的特性，采用LED作光源的路灯来取代传统的LPS（低压钠灯）或MH（金属卤化物灯）是很好的选择。目前，LED路灯在世界上各个国家都进行了测试。为了解决能源紧缺和温室气体的排放问题，LED路灯在一些地方已经实用化，其中中国、北美以及欧洲的一些地区和都市的政府进行了积极的推广。
由于市场上出厂的LED大部分都是呈郎伯型（Lambertian 范围的出射光还是很多，这样就会给远处的车辆或行人造成眩光。?~90?distribution）分布，中心光强比较强，而且是对称的圆形光斑分布，不能直接用于道路照明。为了满足城市道路照明设计标准，LED路灯需要进行二次光学设计，以产生一个长方形、均匀分布的光斑，其配光曲线需要呈蝙蝠翼的形状。另外，光学设计的好坏直接决定了LED路灯的效率，有的LED路灯加上了设计不好的二次透镜之后，有些光在透镜里面多次反射后损耗掉了或者是不能配到有效的区域，有些二次透镜虽然光斑形状和均匀度都可以，但出光效率却降低了将近一半。还有，光学设计的好坏也均定了LED路灯有无眩光，有的设计得不好的透镜，虽然也可以产生一个长方形、均匀分布的光斑，配光曲线也可以呈蝙蝠翼，但由于没有采用截光设计，导致沿道路方向75
好的光学设计应充分利用LED光源面积小这一优点，充分考虑光的利用率，将所有从LED芯片发出的光都分配到路面上，形成一个均匀度好、无眩光、配光曲线呈蝙蝠翼的光斑。本文将基于这些因素来探讨LED道路照明系统的光学系统设计及发展趋势。 2、 自由曲面二次光学的设计方法
由于道路照明要求路灯的光斑是长方形，在垂直于道路的方向，其出射的光束是会聚的，而沿着道路的方向，其出射光束是发散的，并且有一个很大的视角。对于这种一个方向是会聚而另一个方向是发散的配光，那么所对应的透镜，其在垂直于道路方向的剖面应该是个正透镜，而沿着道路的方向的剖面应该是个负透镜，所以透镜的整体可以用一个不规则的自由曲面来表述。
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