LED城市道路照明灯具二次光学系统的光效分析
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
由此可见反射面 S2 的损耗一般也要在 6% 以 上，则反 射 式 配 光 系 统 在 界 面 处 光 能 的 总 损 耗 为 10% 以上。
（2） 二次透镜配光系统 图 7 所示是较为典型的的二次透镜式配光系统， 从芯片出射的光线要在三个界面处形成损耗： 一次 封装的界面 S1、二次透镜的入射面 S2 和出射面 S3。 还是假设一次封装的透镜为半球形，封装材料折射 率 n1 = 1. 54，界面 S1 引起的损耗为 4. 52% 。二次 透镜 采 用 polycarbonate 聚 碳 酸 酯 材 料，n2 = 1. 59， 入射面 S2 和出射面 S3 处引起的光损耗都为 5. 2% ， 因此在理想情况下，此类配光设计的光能损耗将达 到 15% 。
然而现有的 LED 光源是光强分布近似朗伯源的 点光源，单个的功率都在 1 瓦左右，而道路照明往 往要求有特定形状的被照光场。因此要组成道路照 明系统，就不能简单地将 LED 组合一起，这样形成 的圆形光场将不利于光能的利用，无法满足国家标 准对整个被照区域光照度均匀性的要求。必需设计 特殊的光学系统，设计合理的配光曲线，在满足国 家标准对光照度和均匀性要求的前提下，尽量提高
图 2 圆形均匀光斑透镜示意图
图 2 为一常用汇聚型郁金香形透镜的变异设计， 通过精心设计内外曲面的现状，就可以将光源发出 的余弦分布的光线基本均匀地分布到圆形区域内， 这是非成像光学中的一类典型的给定照度分布的问 题。
Vol. 20 增刊
钱可元等： LED 城市道路照明系统二次光学系统的光效分析
( ) R = n1 － 1 2 n1 + 1
图 4 矩形均匀光斑照度示意图
当灯杆高度为 H = 10m，照在 10 × 35m2 区域内 的光为 33% 。均匀度 = 0. 65。由此可见，此类设计 方法使得照度均匀度大为好转，但光源的利用率则 大为下降。
（3） 矩形均匀光斑 当灯杆高度为 H = 10m，照在 10 × 35m2 区域内 的光为 80% ，均匀度 = 0. 7 ，照在 15 × 40m2 区域内 的光大于 90% 。 这是光源利用率和照度均匀度最优的方法，但 对光学系统的设计也是最为复杂的方案。
平均亮度 均匀度
Ⅱ
1. 0
0. 35
Ⅲ
0. 5
0. 35
照度 （ lx）
平均照度 15 8
均匀度 0. 35 0. 35
灯具安装高度 （m） 路面宽度 路面照明长度 （m）
路面照明面积 （ m2 ）
最低高度 最高高度 （m） 最小长度 最大长度 最小面积 最大面积
8
10
10
32
50
320
500
6
8
10
Key words： semiconductor lighting； high power LED； secondary optics design
1 引言
近年来，随着我国经济的持续发展和人民生活 质量的提高，使得城市扩张及农村城镇化进程不断 加快，城市道路建设的发展速度有了质的飞跃，城 市道路照明不仅日益受到人们的关注，并且在某种 程度上反映了其所在城市的经济发展状况。
3源自文库不同二次配光系统的效率分析
图 3 圆形均匀光斑系统路面照度分布图分布
理论上来说，可以由多种光学系统都能满足二 次配光的要求，但不同的设计方案对光学性能和出 光效率的影响也各不相同。
（1） 一次封装加反射系统 特点： ●光学系统加工便利； ●对反射表面要求高； ●对光线的控制作用有限，光场分布不够理想； 图 5 所示的反射式配光系统，从芯片出射的光 线要在两个界面处形成损耗： 一次封装的界面 S1 和 反射面 S2 见图 6。假设一次封装的透镜为半球形， 在点光源近似的条件下，此时封装引起的光损耗最 小。由于折射率的突变引起的在界面 S1 处的反射 为：
目前有多种 LED 道路照明的配光方案，形式各 度均匀度、灯具输出的光通量、灯具眩光等来评价
异，结构与光学处理的方法不同，光学效果和系统 灯具光学性能，但在 LED 照明系统中，照明系统的
光效也各不相同，在此对一些主要的设计方案作一 光效是一个首先要考虑的因素。
分析研究。
道路照明系统不同于一般的照明灯具，其被照
图 5 反射式配光系统示意图
目前大功率 LED 都采用高折射率硅胶封装，材 料折射率 n1 = 1. 54，界面 S1 引起的损耗为 4. 52% 。
反射面 S2 的损耗则完全取决于反射面的加工质
24
照明工程学报
2009 年 8 月
是应用三维非成像光学的设计方法研究的全新的三 维自由表面浸没式透镜系统，这一二次光学系统可 以将每个 LED 的光都均匀分配到整个路面上，形成 图 4 所示的均匀矩形光场［5］。
Optical Efficiency Analysis of LED Road Lighting Luminaive
Qian Keyuang Luo Yi
（1. Gronduate School of Tshinghua University shenzhen 518055 2. Depurtment of Electrouic Engiheering of Tshinghua University，100084）
图 7 二次透镜配光系统的界面损耗
（3） 浸没式透镜配光系统 图 8 所示是较为典型的浸没式透镜配光系统，
图 8 浸没式透镜系统的界面损耗
本设计 中 没 有 空 气 隙，n1 = 1. 54，n2 = 1. 59， 从芯片出射的光线在两个界面处形成损耗为： 界面 S1 引起的损耗为 0. 0255% ，出射面 S2 处引起的光 损耗为 5. 2% ，因此在理想情况下，此类配光设计 的光能损耗将小于 5. 5% 。在实际产品的光源模块 测试中，光能损耗小于 6% 。
近年来，常 规 化 石 能 源 日 趋 紧 张， 石 油、 煤 等 常规能源价格不断攀升，特别国际油价更达到历史 高位，造成了能源供应的形势愈加严峻。由于 LED 光源具有高效、长寿、绿色环保的特点，同时随着
近 10 年来 LED 技术取得了突飞猛进的发展，白光 LED 技术的日臻成熟，半导体光源将成为城市道路 照明理想的节能光源。这一点已经得到业界越来越 多地认同。
2009 年 8 月 第 20 卷 增刊
照明工程学报 ZHAOMING GONGCHENG XUEBAO
Aug. 2009 Vol. 20 Supplement
LED 城市道路照明灯具二次光学系统的光效分析
钱可元1 罗 毅1，2
（1. 清华大学深圳研究生院 半导体照明实验室，深圳 518055； 2. 清华大学电子工程系 集成光电子学国家重点实验室，北京 100084）
终的执行系统。从原理上讲属于非成像光学中点光 源实现给定照度分布的一类问题［1］。通常是利用几
（1） 对于单纯朗伯光源，它在路面上形成的光 斑通常是一个不均匀的圆斑： 中心处很亮，而在径
何光学原理设计由复杂曲面组成的折射部件 （ 透 向衰减很快。如图 1 所示。
表 1 国家路灯标准
亮度 （ cd·m － 2 ） 道路等级
Abstract
Due to the white LED＇s many advantages，its application is a good substitute to other light sources. However to fully exert the advantages of the semiconductor lighting source，the secondary optics design is very important. From the perspective of the system efficiency and the illumination distribution，this paper focuses on the analyses of the optical characteristics of the system，and points out the problems and design principles that should be considered when designing the secondary light distribution design. We also introduced a kind of unique suitable for road lighting second optical systems，which can better satisfy the related standards and be flexibly applied to different road conditions.
24
40
240
400
能量利用率 （这正是常规光源所遇到的配光难题）。 可见如果 LED 光源不加合适的配光系统，作为
道路照明根本不合适。 （2） 圆形均匀光斑 如果加上较简单的匀光光学系统，可以使朗伯
光源发出的光均匀分布在一个圆形的区域内［4］，如 图 2 和图 3 所示。
图 1 单纯朗伯光源路面照度分布图
22
照明工程学报
2009 年 8 月
能量的利用率。
镜） 和反射面 （ 灯杯），使出射光线射向所要求照
LED 光源的一大优点就是可以方便地附加二次 明方向。但在三维非对称情况下，设计方法会复杂
光学系统，能最大限度地利用 LED 的光能，满足各 得多［2，3］。
种应用场合特定的照度与光强分布。
在灯具光学设计中，常用被照平面的照度及照
当灯杆高度为 H = 10m，照在 10 × 35m2 区域内 的光为 43% ，均匀度 = 0. 001。在此类情况下，为 了达到国家照明标准的均匀性要求，通常不得不提 高输出功率使得周围暗斑的照度主干道不小于 5 lx， 次干道不小于 2. 4 lx，然而大量的能量则浪费在路 灯的正下方中心处和道路的外侧，从而降低了总的
明的场是一矩形区域。表 1 为根据国家公路照明标
2 二次光学系统与光能的利用
准，主干道的平均照度是 15 lx，均匀性为 30% ； 次
干道的平均照度是 8 lx，均匀性为 30% ，其中均匀
LED 灯具的二次光学系统是灯具结构一个重要 性为照射路面的最低照度 / 平均照度。由此可见，有
组成部分，是实现灯具照明功能最直接的、也是最 效的照明区域为一 10 × 40 平米左右的长方形区域。
图 6 反射式配光系统的界面损耗
量和使用中表面的保护情况。 目前常用的镜面反射材料： 1） 高纯铝板表面
抛光后得到的镜面反射铝板，并在表面复一层保护 膜，多 用 于 荧 光 灯 具 和 投 光 灯 具， 总 反 射 率 可 达 84% ～ 87% ； 2） 在一般铝板上复一层涂有高反射 率银的涤纶膜，反射率可达 92% ～ 94% ，有国产的 镀膜铝板或氧化铝板，反射率可达 85% ； 可见反射 器使用的材料性能差异较大。
因此这一设计具有很多其他光学设计方案无法 比拟的优越性。
（4） 二次配光系统的设计指标 半导体光源城市道路照明系统作为一个新的技 术，在应用上还有许多难题，其中最关键的是相关 的光学系统设计，主要的关键点包括： ●照度分布形状合理： 根据单颗 LED 设计二次光学系统，其理想的照 度分布图应是一个长方形或近似矩形的长椭圆形， 以便拼接起一条没有盲区的明亮道路。 ●高均匀性： LED 路灯的另一个优势就是能在照明区域内形 成很高的照明均匀性，均匀性优于国家规定的路灯 照明标准的要求，这样就可以在达到国家道路照明 标准的前提下，合理的将能量分配道路面上，有效 地减少了浪费的能量。 ●高出光效率 追求最高的出光效率是照明光学系统设计首要 问题。 这些技术指标通常都需要 LED 的一次封装和二 次光学系统的特殊设计才能实现，在照明光学系统 中，经常用光出射的空间角分布来衡量系统的光型 特色。在旋转对称系统中，只需一个光束角就可以 决定实际的光分布，但在道路照明这类非旋转对称
23
近一两年来，许多企业开始进行大功率 LED 道 路照明光源的开发尝试，但若是简单地进行多芯片 或多器件组合，则在实际的照射面积、有效面积的 照度不均匀性等方面都很难达到国家的相关标准。 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。
因此通过改进 LED 模组的二次光学设计来提高 整个光源系统的传输效率，成为了 LED 道路照明光 源设计的必要措施。
摘 要： 由于白光 LED 具有很多显著的优点，将其用作城市公共照明设施的替代光源有着许多的优点。然而要真 正充分发挥半导体光源的长处，二次光学系统的设计至关重要。本文从系统光效和光场照度分布的角度出发，对各 种光学系统的性能特点进行了分析，指出了二次配光设计时应考虑的问题和设计原则。介绍了一种独特的适用于 城市道路照明二次光学系统，他能较好的满足城市道路照明的相关标准，并可以灵活地适用于不同的道路情况。 关键词： 半导体照明； 功率型 LED； 二次光学设计
（2） 二次透镜配光系统 图 7 所示是较为典型的的二次透镜式配光系统， 从芯片出射的光线要在三个界面处形成损耗： 一次 封装的界面 S1、二次透镜的入射面 S2 和出射面 S3。 还是假设一次封装的透镜为半球形，封装材料折射 率 n1 = 1. 54，界面 S1 引起的损耗为 4. 52% 。二次 透镜 采 用 polycarbonate 聚 碳 酸 酯 材 料，n2 = 1. 59， 入射面 S2 和出射面 S3 处引起的光损耗都为 5. 2% ， 因此在理想情况下，此类配光设计的光能损耗将达 到 15% 。
然而现有的 LED 光源是光强分布近似朗伯源的 点光源，单个的功率都在 1 瓦左右，而道路照明往 往要求有特定形状的被照光场。因此要组成道路照 明系统，就不能简单地将 LED 组合一起，这样形成 的圆形光场将不利于光能的利用，无法满足国家标 准对整个被照区域光照度均匀性的要求。必需设计 特殊的光学系统，设计合理的配光曲线，在满足国 家标准对光照度和均匀性要求的前提下，尽量提高
图 2 圆形均匀光斑透镜示意图
图 2 为一常用汇聚型郁金香形透镜的变异设计， 通过精心设计内外曲面的现状，就可以将光源发出 的余弦分布的光线基本均匀地分布到圆形区域内， 这是非成像光学中的一类典型的给定照度分布的问 题。
Vol. 20 增刊
钱可元等： LED 城市道路照明系统二次光学系统的光效分析
( ) R = n1 － 1 2 n1 + 1
图 4 矩形均匀光斑照度示意图
当灯杆高度为 H = 10m，照在 10 × 35m2 区域内 的光为 33% 。均匀度 = 0. 65。由此可见，此类设计 方法使得照度均匀度大为好转，但光源的利用率则 大为下降。
（3） 矩形均匀光斑 当灯杆高度为 H = 10m，照在 10 × 35m2 区域内 的光为 80% ，均匀度 = 0. 7 ，照在 15 × 40m2 区域内 的光大于 90% 。 这是光源利用率和照度均匀度最优的方法，但 对光学系统的设计也是最为复杂的方案。
平均亮度 均匀度
Ⅱ
1. 0
0. 35
Ⅲ
0. 5
0. 35
照度 （ lx）
平均照度 15 8
均匀度 0. 35 0. 35
灯具安装高度 （m） 路面宽度 路面照明长度 （m）
路面照明面积 （ m2 ）
最低高度 最高高度 （m） 最小长度 最大长度 最小面积 最大面积
8
10
10
32
50
320
500
6
8
10
Key words： semiconductor lighting； high power LED； secondary optics design
1 引言
近年来，随着我国经济的持续发展和人民生活 质量的提高，使得城市扩张及农村城镇化进程不断 加快，城市道路建设的发展速度有了质的飞跃，城 市道路照明不仅日益受到人们的关注，并且在某种 程度上反映了其所在城市的经济发展状况。
3源自文库不同二次配光系统的效率分析
图 3 圆形均匀光斑系统路面照度分布图分布
理论上来说，可以由多种光学系统都能满足二 次配光的要求，但不同的设计方案对光学性能和出 光效率的影响也各不相同。
（1） 一次封装加反射系统 特点： ●光学系统加工便利； ●对反射表面要求高； ●对光线的控制作用有限，光场分布不够理想； 图 5 所示的反射式配光系统，从芯片出射的光 线要在两个界面处形成损耗： 一次封装的界面 S1 和 反射面 S2 见图 6。假设一次封装的透镜为半球形， 在点光源近似的条件下，此时封装引起的光损耗最 小。由于折射率的突变引起的在界面 S1 处的反射 为：
目前有多种 LED 道路照明的配光方案，形式各 度均匀度、灯具输出的光通量、灯具眩光等来评价
异，结构与光学处理的方法不同，光学效果和系统 灯具光学性能，但在 LED 照明系统中，照明系统的
光效也各不相同，在此对一些主要的设计方案作一 光效是一个首先要考虑的因素。
分析研究。
道路照明系统不同于一般的照明灯具，其被照
图 5 反射式配光系统示意图
目前大功率 LED 都采用高折射率硅胶封装，材 料折射率 n1 = 1. 54，界面 S1 引起的损耗为 4. 52% 。
反射面 S2 的损耗则完全取决于反射面的加工质
24
照明工程学报
2009 年 8 月
是应用三维非成像光学的设计方法研究的全新的三 维自由表面浸没式透镜系统，这一二次光学系统可 以将每个 LED 的光都均匀分配到整个路面上，形成 图 4 所示的均匀矩形光场［5］。
Optical Efficiency Analysis of LED Road Lighting Luminaive
Qian Keyuang Luo Yi
（1. Gronduate School of Tshinghua University shenzhen 518055 2. Depurtment of Electrouic Engiheering of Tshinghua University，100084）
图 7 二次透镜配光系统的界面损耗
（3） 浸没式透镜配光系统 图 8 所示是较为典型的浸没式透镜配光系统，
图 8 浸没式透镜系统的界面损耗
本设计 中 没 有 空 气 隙，n1 = 1. 54，n2 = 1. 59， 从芯片出射的光线在两个界面处形成损耗为： 界面 S1 引起的损耗为 0. 0255% ，出射面 S2 处引起的光 损耗为 5. 2% ，因此在理想情况下，此类配光设计 的光能损耗将小于 5. 5% 。在实际产品的光源模块 测试中，光能损耗小于 6% 。
近年来，常 规 化 石 能 源 日 趋 紧 张， 石 油、 煤 等 常规能源价格不断攀升，特别国际油价更达到历史 高位，造成了能源供应的形势愈加严峻。由于 LED 光源具有高效、长寿、绿色环保的特点，同时随着
近 10 年来 LED 技术取得了突飞猛进的发展，白光 LED 技术的日臻成熟，半导体光源将成为城市道路 照明理想的节能光源。这一点已经得到业界越来越 多地认同。
2009 年 8 月 第 20 卷 增刊
照明工程学报 ZHAOMING GONGCHENG XUEBAO
Aug. 2009 Vol. 20 Supplement
LED 城市道路照明灯具二次光学系统的光效分析
钱可元1 罗 毅1，2
（1. 清华大学深圳研究生院 半导体照明实验室，深圳 518055； 2. 清华大学电子工程系 集成光电子学国家重点实验室，北京 100084）
终的执行系统。从原理上讲属于非成像光学中点光 源实现给定照度分布的一类问题［1］。通常是利用几
（1） 对于单纯朗伯光源，它在路面上形成的光 斑通常是一个不均匀的圆斑： 中心处很亮，而在径
何光学原理设计由复杂曲面组成的折射部件 （ 透 向衰减很快。如图 1 所示。
表 1 国家路灯标准
亮度 （ cd·m － 2 ） 道路等级
Abstract
Due to the white LED＇s many advantages，its application is a good substitute to other light sources. However to fully exert the advantages of the semiconductor lighting source，the secondary optics design is very important. From the perspective of the system efficiency and the illumination distribution，this paper focuses on the analyses of the optical characteristics of the system，and points out the problems and design principles that should be considered when designing the secondary light distribution design. We also introduced a kind of unique suitable for road lighting second optical systems，which can better satisfy the related standards and be flexibly applied to different road conditions.
24
40
240
400
能量利用率 （这正是常规光源所遇到的配光难题）。 可见如果 LED 光源不加合适的配光系统，作为
道路照明根本不合适。 （2） 圆形均匀光斑 如果加上较简单的匀光光学系统，可以使朗伯
光源发出的光均匀分布在一个圆形的区域内［4］，如 图 2 和图 3 所示。
图 1 单纯朗伯光源路面照度分布图
22
照明工程学报
2009 年 8 月
能量的利用率。
镜） 和反射面 （ 灯杯），使出射光线射向所要求照
LED 光源的一大优点就是可以方便地附加二次 明方向。但在三维非对称情况下，设计方法会复杂
光学系统，能最大限度地利用 LED 的光能，满足各 得多［2，3］。
种应用场合特定的照度与光强分布。
在灯具光学设计中，常用被照平面的照度及照
当灯杆高度为 H = 10m，照在 10 × 35m2 区域内 的光为 43% ，均匀度 = 0. 001。在此类情况下，为 了达到国家照明标准的均匀性要求，通常不得不提 高输出功率使得周围暗斑的照度主干道不小于 5 lx， 次干道不小于 2. 4 lx，然而大量的能量则浪费在路 灯的正下方中心处和道路的外侧，从而降低了总的
明的场是一矩形区域。表 1 为根据国家公路照明标
2 二次光学系统与光能的利用
准，主干道的平均照度是 15 lx，均匀性为 30% ； 次
干道的平均照度是 8 lx，均匀性为 30% ，其中均匀
LED 灯具的二次光学系统是灯具结构一个重要 性为照射路面的最低照度 / 平均照度。由此可见，有
组成部分，是实现灯具照明功能最直接的、也是最 效的照明区域为一 10 × 40 平米左右的长方形区域。
图 6 反射式配光系统的界面损耗
量和使用中表面的保护情况。 目前常用的镜面反射材料： 1） 高纯铝板表面
抛光后得到的镜面反射铝板，并在表面复一层保护 膜，多 用 于 荧 光 灯 具 和 投 光 灯 具， 总 反 射 率 可 达 84% ～ 87% ； 2） 在一般铝板上复一层涂有高反射 率银的涤纶膜，反射率可达 92% ～ 94% ，有国产的 镀膜铝板或氧化铝板，反射率可达 85% ； 可见反射 器使用的材料性能差异较大。
因此这一设计具有很多其他光学设计方案无法 比拟的优越性。
（4） 二次配光系统的设计指标 半导体光源城市道路照明系统作为一个新的技 术，在应用上还有许多难题，其中最关键的是相关 的光学系统设计，主要的关键点包括： ●照度分布形状合理： 根据单颗 LED 设计二次光学系统，其理想的照 度分布图应是一个长方形或近似矩形的长椭圆形， 以便拼接起一条没有盲区的明亮道路。 ●高均匀性： LED 路灯的另一个优势就是能在照明区域内形 成很高的照明均匀性，均匀性优于国家规定的路灯 照明标准的要求，这样就可以在达到国家道路照明 标准的前提下，合理的将能量分配道路面上，有效 地减少了浪费的能量。 ●高出光效率 追求最高的出光效率是照明光学系统设计首要 问题。 这些技术指标通常都需要 LED 的一次封装和二 次光学系统的特殊设计才能实现，在照明光学系统 中，经常用光出射的空间角分布来衡量系统的光型 特色。在旋转对称系统中，只需一个光束角就可以 决定实际的光分布，但在道路照明这类非旋转对称
23
近一两年来，许多企业开始进行大功率 LED 道 路照明光源的开发尝试，但若是简单地进行多芯片 或多器件组合，则在实际的照射面积、有效面积的 照度不均匀性等方面都很难达到国家的相关标准。 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。
因此通过改进 LED 模组的二次光学设计来提高 整个光源系统的传输效率，成为了 LED 道路照明光 源设计的必要措施。
摘 要： 由于白光 LED 具有很多显著的优点，将其用作城市公共照明设施的替代光源有着许多的优点。然而要真 正充分发挥半导体光源的长处，二次光学系统的设计至关重要。本文从系统光效和光场照度分布的角度出发，对各 种光学系统的性能特点进行了分析，指出了二次配光设计时应考虑的问题和设计原则。介绍了一种独特的适用于 城市道路照明二次光学系统，他能较好的满足城市道路照明的相关标准，并可以灵活地适用于不同的道路情况。 关键词： 半导体照明； 功率型 LED； 二次光学设计