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浅谈LED路灯光学设计与分析

范文

戴勇

摘要：LED全称发光二极管，而LED路灯的光学设计对LED灯的照明状态起着关键的作用。良好的LED路灯照明需要达到常规路灯的均匀矩形照射就必须对LED的配光设计和光源选择进行合理地分析。本文将通过概述LED路灯相比于传统路灯照明的优势和缺点，分析LED路灯的配光设计方法和光源的选择以及透镜的设计和仿真测试。以此为LED路灯的实现和普及工作提供一定参考。

关键词：LED路灯；光学；设计与分析

中图分类号：TN312 文献标识码：A

在社会发展初期，人们为了更快的发展，更快捷地取得利益而不顾环境污染与能源损耗，大肆的开发能源并不顾能源浪费的情况，大量的一次能源被浪费。随着社会的进步，世界各个知名杂志对能源可利用时间的曝光，让人们清楚地意识到我们的能源并非用之不竭，甚至即将枯竭，于是能源的合理利用慢慢成为人类社会所面对的问题，也是人们所追求的一种生活。然而并不乐观的是即使人们对能源储量有了一定的了解，但是对于公共用电的浪费情况却知之甚少。其实，对于城市供电来说，公共用电占据了总用电量的大部分，而路灯供电在城市公共用电中又扮演了主要角色。常规的路灯供电系统单一，通宵的统一标准性供电使得路灯系统不仅不能按照实时的天气情况对供电电压加以变化，还造成了大量的浪费。面对这一现象可以通过加入分时控制和电压监控等系统得以改进，但是这可以最大程度地节省因系统的不科学导致的电能的损耗，却不能根本地解决掉常规钠灯的耗电量大、照明度低、使用寿命短等问题。随着科学技术的发展，LED灯的技术越发成熟，使得利用LED灯设置城市路灯这一构想成为可能。LED灯相比于传统钠灯具有耗电量更低、照明强度更高、使用寿命更长、灯光更加柔和等特点。比如采用传统250W钠灯作光源的路燈，用LED光源代替之后，大概只需要60多颗LED就可以产生相同的亮度，由此可见LED灯相比于传统钠灯极大地降低了能耗。但是普通的LED灯作为路灯并不是十全十美，由于LED光源辐射较较小，形成圆形光场，且亮度分布不均，会使得部分光源不能得到合理利用，这时LED灯的配光设计和广元的选择就显得极为重要。

1. LED路灯的配光设计方法

路灯的设计很重要的一点就是照射灯光的均匀分布，对于不同的灯说需的制作材料不同照射光的分布也不尽相同，普通城市路灯虽然在节能方面远远达不到LED灯的效果，但大多都具有良好的均匀照明特性。而对于一般的LED等来说要实现这一效果并不容易。大多数LED的辐射角分布为110°～120°的朗伯分布。所以灯光照明度理想区域集中在以照明区域中心为原点，距离最大照射边缘长度为半径的圆面积的中间60%左右的区域，而边缘的照明区域这不能达到可以保障基本交通安全的照明度。虽然可以通过增加路灯的数量用可以达到标准的照明区域覆盖道路区域，但这样不仅会使得外围灯光被浪费，还可能影响走位绿化带植物正常新陈代谢等可能造成的光污染。面对这一问题虽然不能改变LED灯的基本性质，但是我们可以通过对LED灯的排列方式进行合理设计以使得整体的灯光辐射角达到普通路灯的水平。

一般的LED路灯配光方式有两种，分别是弧面排列的LED灯和平面排列的LED灯。

采用弧形排列的LED路灯实物及设计如图1所示。弧面LED灯组采用轴对称的透镜或反光杯进行配光，将LED灯按照设定的布置设置在一个弧形安置板上，并使得该灯组可以通过调整弧面曲率来调整照射的均匀度且使得照射面呈方形。

平面排列的LED路灯示意如图2所示。平面排列LED路灯组相对弧面排列来说较为简单。只需选择长方形配光的LED灯组按照路面照明需求量增减LED灯数量的多少即可，但这种配光方式的LED灯价格较高，且需采用非对称自由曲面的透镜，而这种透镜的设计和加工工艺也会相对复杂。

2. LED光源的选择

通过对城市交通路灯照明需求的研究，路灯需要对路面进行均匀的方形照射，虽然在运用普通照明方法可以运用弧形照射的配光方法加以改进但是效率不高，运用方形照射LED灯价格高昂。这时对光源的合理选择就尤为重要。这里我们选择了Lumiled的120度发散角的LED，这种LED灯对主光轴发光较少，对于主光轴成一定角度的方向发光较大，以此来解决了，LED灯边缘发光低的问题，使得路面灯光分布更加均匀合理。

3.透镜的设计与仿真测试

目前大多LED灯都是根据灯的放置方向结合反光面结合的设计方法进行光学系统设计。但是这种设计方法会使得光能浪费，且对灯具的外形设计方面限制较大。因此本文采用LED阵列加透镜的方式来设计光学系统。运用一个或多个LED灯作为一组共享一个透镜。这样更有利于设计不同功率的路灯，以此来对不同路段的情况设计灵活设计不同的功率的路灯。按照上述设计方法采用ASPA进行仿真，可以明显的看出此LED路灯系统的照明度比较均匀，灯光利用率也较高。

结语

通过对LED灯作为路灯的优缺点的分析，我们可以清楚地了解到LED的作为路灯是一个非常有发展前途的选择。然后针对LED作为路灯在灯光分布的不均匀的缺点，通过LED灯组的两种配光的设计，合理的解决了灯光分布问题。通过对LED光源的选择分析和透镜的设计，提高了LED灯的发光效率。通过这些对LED灯的改进设计，使得LED路灯更加的科学，高效。

城市路灯在城市电能占有大量份额，所以对其的选择与设计无比重要，LED路灯的出现大大的减少了城市电能的能耗。也更加加深了人们对节能理念的理解。

参考文献

[1]李晓彤，岑兆丰.几何光学·像差·光学设计[M].杭州：浙江大学出版社，2003：99-101.

[2]邱建文.LED照明技术及其发展前景探究[J].福建质量管理，2015（10）：88-90.

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