1、光學設計在大功率LED道路照明上的應用2009年06月14日 星期日 00:49一、 引言/F6_$C)i,u W u%C/q R L"U s r p e半導體照明（發光二極管，LED）是新型高效固體光源，具有節能、環保和長壽命等顯著優點,將導致世界照明工業的轉型和新興半導體照明產業的崛起。Y t F v r E照明工程師社區 | IL %S .V/4B"g9Q3 半導體照明是節能的“富礦”，同樣亮度下耗電僅為普通白熾燈的1/10，節能燈的1/2，用壽命卻可以延長上100倍。照明工程師社區 | IL B e I ?1d KQ K'q4P 2C隨著LED技術的快速進步

2、和新的應用不斷出現，在特殊照明領域節能效果已經顯現。如景觀照明（替代霓虹燈）節能70%、交通信號燈（替代白熾燈）節能80%，如能在2010年進入普通照明，節能的效果將更加顯著。照明工程師社區 | IL #g5Q h2t d&y -F照明工程師社區 | IL k E )u 二、 大功率LED照明工程師社區 | IL o%w(N Q b+s#q *s K#p#Z c7m:h0c、術語解釋X A c M1 j d5w'"c z N U l    從消耗功率來講，我們通常把毫瓦級LED稱為小功率，把瓦級LED稱之為大功率。'"%

3、j b B&f u4t ,O p K,N 7Q3c P 5R %N圖1 LED封裝示意圖照明工程師社區 | IL I$u7H2l;S#Q&G(wh g%x m y F 22J2、目前通常所見的大功率LED分為單芯片大尺寸和多芯片小尺寸組合兩種。k s4Y K6#J1| R+J8d K L 2t&b$f z +m4Z ;L圖2 大功率LED(上視圖)$V ? Z x c P x w   照明工程師社區 | IL "P d H          

4、      圖3 大功率LED模組照明工程師社區 | IL J M b O+T&x!g m2J X A W%f3K V三、 二次光學設計6A o B A.j W l4N W+g f、術語解釋照明工程師社區 | IL 6|3M9+Y u4k K發 光 角 度照明工程師社區 | IL :G8m0o&Q r又稱功率角度，通常我們使用半功率角度，即50%發光強度的角度，記作21/2。n j 0p G(i照      度m; ?#i Y7H"Y!T S單位被照面上接收到的光通量稱

5、為照度。如果每平方米被照面上接收到的光通量為 1（lm），則照度為1（lx）。單位：勒克斯（lx）。照明工程師社區 | IL 1c i!? H"U%DO2x照明功率密度照明工程師社區 | IL _"k O;j W*n單位路面面積上的照明安裝功率（包含鎮流器 功耗）。i g H(w t7a照明工程師社區 | IL 9M k l A0y m 2.技術背景&z3y4m P ?照明工程師社區 | IL B x/N u #A5p g e 現在的交通道路照明設計通常采用常規光源的配光曲線呈廣角度圓周正態分布，而現在道路照明設計大都采用單側照明，這樣就會造成局部光源浪費在屋邊照明

6、的地方; 另外因為依照現在的交通照設計標準，道路方向路燈間距一般是3倍于燈高，由于常規光源的配光曲線的關系造成有些光源無法照明的黑暗地帶。這不僅造成能源的浪費，也給夜間行駛帶來很大的不便，產生安全隱患。- h E'i b |(c D 照明工程師社區 | IL D x j4r.g7b圖4 傳統路燈屋邊照明過多浪費照明工程師社區 | IL ! p s!N7_照明工程師社區 | IL s3Q ?#c圖5 傳統路燈的燈間不匹配形成照明暗區*h.t6r1Q p X H照明工程師社區 | IL (N) i x5C1U g S8_/? Q A 3.光學設計原理U A0e,n H 照明工程師社區 |

7、IL ,H R O1N&z"S 解決上述問題，本文通過設計一種光學透鏡，并封裝在大功率LED光源上，通過該透鏡對光源的發光方向作出改變，使其傳播方向發生偏移，以達到提高燈具的照明利用率，保證夜間行車安全的目的。照明工程師社區 | IL #j"B A4f K照明工程師社區 | IL T-S:l1S l 根據光的折射定侓，光線在經過不同的傳播介質時，會在介面上發生傳播方向的偏移，偏移的方向同入射角度及所經過的傳播介質的折射率有關。光的折射率公式： n1sin1 = n2sin2 ,其中，n1和n2分別是兩個介質的折射率，1和2分別是入射光（或折射光）與界面法線的夾角，叫

8、做入射角和折射角。s M(g t W f-x0h$p*R照明工程師社區 | IL 8D y v R 本文設計的透鏡頂部是一個倒圓角的矩形，此矩形與水平面保持一定的斜度，通過光線的折射成為達到光線偏移的目的。W ?+? &N1O K i p$W o k7 q1 l X上面有提到現在的道明照明設計中，燈距一般是燈高的3倍，而燈高一般等同于道路的路寬，根據幾何三角關系可以計算出照明燈具的配光角度應當為C0/180方向約140度，C90/270方向約80度。計算的示意圖請參照下面圖6。0N$k 'Y5A C:d/N%y照明工程師社區 | IL m%C2;V l 同樣的，為了提高路燈在道

9、路照明利用率，我們嘗試讓燈具的發光光強中心往道路方向傾斜一定角度，理想狀況是光強中心落在道路中心線上。考慮到路燈燈具本身與水平方向會有大約10度的仰角，依據幾何三角關系可以計算出燈具發光光強中心要往道路方向偏移1520度。計算的示意圖請參照下面圖6。照明工程師社區 | IL :o F 1t7p (,i4q) n"L T7r)w.a)?圖6 燈具安裝示意圖照明工程師社區 | IL a$G d i p r j5h L&i + q8c n透鏡裝配在LED支架上，支架上固有大功率LED晶片。透鏡的表面上可以增鍍增透膜，在透鏡與晶片間的空腔采用耐高溫硅膠灌封，以減少光線在空腔中的多次反

10、射，直接通過透鏡折射出去。%I$9P e,iI照明工程師社區 | IL C1I p U T D | F u#Z 此款透鏡相對常規LED透鏡來說，起到偏光增透作用，相當于二次光學透鏡與一次透鏡融為一體。     vB |1f 3Y r 照明工程師社區 | IL %_ ?+b)p&q S W8I E圖7 光源結構圖K7P s z F v,O 照明工程師社區 | IL _ t i z6O圖8 Ray Trace照明工程師社區 | IL s4h,G s -gC )G $j(S圖9 Illuminance Map照明工程師社區 | IL .Q;(

11、_ u F S A n O _ C照明工程師社區 | IL a *H'B (F圖10 Polar Candela Distribution8F5t%A O%v8c 6S$MU;f P圖11Rectangular Candela Distribution照明工程師社區 | IL 0R s L k(w U Q照明工程師社區 | IL n e Q r5Q 三、 道路照明應用照明工程師社區 | IL n w G z:I ?2W z照明工程師社區 | IL 1k x O+ O w-L q e$Y 通過特殊光形設計的LED應用在路燈燈具上，可以使燈具的發光角度發生偏移，提升了路邊的照明利用率;根據

12、矩形的長寬比可以產生長寬比為2:1的光斑，這樣相鄰的光斑之間則不會出現陰影，可以在路面上形成一條明亮的照度均勻的光帶，因而更符合現在的交通道路的照明設計，而且還提高了燈具的照明效率，降低了道路的照明功率密度 ，從而達到節能、綠色環保。照明工程師社區 | IL A t Z3/a (n/x-i9x':e+ P v)R T T& c應用實例：大功率LED路燈/九洲光電圖12 LED路燈燈具照明工程師社區圖13圖14 Polar Candela Distribution (C0/180)                  圖15 Polar Candela Distribution (C90/270)      圖16 特殊光學設計的路燈形成照明光帶照明工程師社區 | IL #D E;R V7G"p(l4照明工程師社區 四、 結束語照明工程師社區照明工程師社區節能、環保的半導體照明，是緩解我國能源緊張的有效途徑之一，現在