淺談LED路燈光學(xué)設(shè)計(jì)與分析

戴勇

摘 要：LED全稱發(fā)光二極管，而LED路燈的光學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)LED燈的照明狀態(tài)起著關(guān)鍵的作用。良好的LED路燈照明需要達(dá)到常規(guī)路燈的均勻矩形照射就必須對(duì)LED的配光設(shè)計(jì)和光源選擇進(jìn)行合理地分析。本文將通過(guò)概述LED路燈相比于傳統(tǒng)路燈照明的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，分析LED路燈的配光設(shè)計(jì)方法和光源的選擇以及透鏡的設(shè)計(jì)和仿真測(cè)試。以此為L(zhǎng)ED路燈的實(shí)現(xiàn)和普及工作提供一定參考。

關(guān)鍵詞：LED路燈；光學(xué)；設(shè)計(jì)與分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TN312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在社會(huì)發(fā)展初期，人們?yōu)榱烁斓陌l(fā)展，更快捷地取得利益而不顧環(huán)境污染與能源損耗，大肆的開(kāi)發(fā)能源并不顧能源浪費(fèi)的情況，大量的一次能源被浪費(fèi)。隨著社會(huì)的進(jìn)步，世界各個(gè)知名雜志對(duì)能源可利用時(shí)間的曝光，讓人們清楚地意識(shí)到我們的能源并非用之不竭，甚至即將枯竭，于是能源的合理利用慢慢成為人類(lèi)社會(huì)所面對(duì)的問(wèn)題，也是人們所追求的一種生活。然而并不樂(lè)觀的是即使人們對(duì)能源儲(chǔ)量有了一定的了解，但是對(duì)于公共用電的浪費(fèi)情況卻知之甚少。其實(shí)，對(duì)于城市供電來(lái)說(shuō)，公共用電占據(jù)了總用電量的大部分，而路燈供電在城市公共用電中又扮演了主要角色。常規(guī)的路燈供電系統(tǒng)單一，通宵的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)性供電使得路燈系統(tǒng)不僅不能按照實(shí)時(shí)的天氣情況對(duì)供電電壓加以變化，還造成了大量的浪費(fèi)。面對(duì)這一現(xiàn)象可以通過(guò)加入分時(shí)控制和電壓監(jiān)控等系統(tǒng)得以改進(jìn)，但是這可以最大程度地節(jié)省因系統(tǒng)的不科學(xué)導(dǎo)致的電能的損耗，卻不能根本地解決掉常規(guī)鈉燈的耗電量大、照明度低、使用壽命短等問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，LED燈的技術(shù)越發(fā)成熟，使得利用LED燈設(shè)置城市路燈這一構(gòu)想成為可能。LED燈相比于傳統(tǒng)鈉燈具有耗電量更低、照明強(qiáng)度更高、使用壽命更長(zhǎng)、燈光更加柔和等特點(diǎn)。比如采用傳統(tǒng)250W鈉燈作光源的路燈，用LED光源代替之后，大概只需要60多顆LED就可以產(chǎn)生相同的亮度，由此可見(jiàn)LED燈相比于傳統(tǒng)鈉燈極大地降低了能耗。但是普通的LED燈作為路燈并不是十全十美，由于LED光源輻射較較小，形成圓形光場(chǎng)，且亮度分布不均，會(huì)使得部分光源不能得到合理利用，這時(shí)LED燈的配光設(shè)計(jì)和廣元的選擇就顯得極為重要。

1. LED路燈的配光設(shè)計(jì)方法

路燈的設(shè)計(jì)很重要的一點(diǎn)就是照射燈光的均勻分布，對(duì)于不同的燈說(shuō)需的制作材料不同照射光的分布也不盡相同，普通城市路燈雖然在節(jié)能方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到LED燈的效果，但大多都具有良好的均勻照明特性。而對(duì)于一般的LED等來(lái)說(shuō)要實(shí)現(xiàn)這一效果并不容易。大多數(shù)LED的輻射角分布為110°～120°的朗伯分布。所以燈光照明度理想?yún)^(qū)域集中在以照明區(qū)域中心為原點(diǎn)，距離最大照射邊緣長(zhǎng)度為半徑的圓面積的中間60%左右的區(qū)域，而邊緣的照明區(qū)域這不能達(dá)到可以保障基本交通安全的照明度。雖然可以通過(guò)增加路燈的數(shù)量用可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的照明區(qū)域覆蓋道路區(qū)域，但這樣不僅會(huì)使得外圍燈光被浪費(fèi)，還可能影響走位綠化帶植物正常新陳代謝等可能造成的光污染。面對(duì)這一問(wèn)題雖然不能改變LED燈的基本性質(zhì)，但是我們可以通過(guò)對(duì)LED燈的排列方式進(jìn)行合理設(shè)計(jì)以使得整體的燈光輻射角達(dá)到普通路燈的水平。

一般的LED路燈配光方式有兩種，分別是弧面排列的LED燈和平面排列的LED燈。

采用弧形排列的LED路燈實(shí)物及設(shè)計(jì)如圖1所示。弧面LED燈組采用軸對(duì)稱的透鏡或反光杯進(jìn)行配光，將LED燈按照設(shè)定的布置設(shè)置在一個(gè)弧形安置板上，并使得該燈組可以通過(guò)調(diào)整弧面曲率來(lái)調(diào)整照射的均勻度且使得照射面呈方形。

平面排列的LED路燈示意如圖2所示。平面排列LED路燈組相對(duì)弧面排列來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單。只需選擇長(zhǎng)方形配光的LED燈組按照路面照明需求量增減LED燈數(shù)量的多少即可，但這種配光方式的LED燈價(jià)格較高，且需采用非對(duì)稱自由曲面的透鏡，而這種透鏡的設(shè)計(jì)和加工工藝也會(huì)相對(duì)復(fù)雜。

2. LED光源的選擇

通過(guò)對(duì)城市交通路燈照明需求的研究，路燈需要對(duì)路面進(jìn)行均勻的方形照射，雖然在運(yùn)用普通照明方法可以運(yùn)用弧形照射的配光方法加以改進(jìn)但是效率不高，運(yùn)用方形照射LED燈價(jià)格高昂。這時(shí)對(duì)光源的合理選擇就尤為重要。這里我們選擇了Lumiled的120度發(fā)散角的LED，這種LED燈對(duì)主光軸發(fā)光較少，對(duì)于主光軸成一定角度的方向發(fā)光較大，以此來(lái)解決了，LED燈邊緣發(fā)光低的問(wèn)題，使得路面燈光分布更加均勻合理。

3.透鏡的設(shè)計(jì)與仿真測(cè)試

目前大多LED燈都是根據(jù)燈的放置方向結(jié)合反光面結(jié)合的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是這種設(shè)計(jì)方法會(huì)使得光能浪費(fèi)，且對(duì)燈具的外形設(shè)計(jì)方面限制較大。因此本文采用LED陣列加透鏡的方式來(lái)設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)。運(yùn)用一個(gè)或多個(gè)LED燈作為一組共享一個(gè)透鏡。這樣更有利于設(shè)計(jì)不同功率的路燈，以此來(lái)對(duì)不同路段的情況設(shè)計(jì)靈活設(shè)計(jì)不同的功率的路燈。按照上述設(shè)計(jì)方法采用ASPA進(jìn)行仿真，可以明顯的看出此LED路燈系統(tǒng)的照明度比較均勻，燈光利用率也較高。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)LED燈作為路燈的優(yōu)缺點(diǎn)的分析，我們可以清楚地了解到LED的作為路燈是一個(gè)非常有發(fā)展前途的選擇。然后針對(duì)LED作為路燈在燈光分布的不均勻的缺點(diǎn)，通過(guò)LED燈組的兩種配光的設(shè)計(jì)，合理的解決了燈光分布問(wèn)題。通過(guò)對(duì)LED光源的選擇分析和透鏡的設(shè)計(jì)，提高了LED燈的發(fā)光效率。通過(guò)這些對(duì)LED燈的改進(jìn)設(shè)計(jì)，使得LED路燈更加的科學(xué)，高效。

城市路燈在城市電能占有大量份額，所以對(duì)其的選擇與設(shè)計(jì)無(wú)比重要，LED路燈的出現(xiàn)大大的減少了城市電能的能耗。也更加加深了人們對(duì)節(jié)能理念的理解。

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