基于自由曲面光学元件的LED路灯配光方案

图5自由曲面透镜

采用外置透镜和反光器的LED二次配光。选择合适的透镜和抛物面的反光器，使出射光线满足一定的要求。外置透镜和反光器结合如图6所示。

图6 外置透镜和反光器的LED示意图

2.3LED路灯的三次配光

LED路灯的三次配光是在大功率LED一、二次配光完成的基础上，通过对多个LED(单元模组)叠加和空间排列实现，以满足道路照明平均亮度、平均照度和均匀度的要求。三次配光有以下几种方式。

(1)平面式配光

LED路灯设计时采用XY方向非对称的矩形配光的自由曲面光学元件(透镜或反光杯)，由于矩形配光在单个LED光学元件上已完成，所以整个LED路灯只需将该LED模组排列在平板上即可。图7(a)为LED路灯的平面式配光示意。

(2)弧面式配光

多个LED排列组成一个LED模组，LED模组上的LED是采用轴对称的全反射的透镜或反光杯进行配光的，通过透镜或反光杯配光的辐射角宽度足以覆盖道路宽度。将LED模组排列在弧面上，如图7(b)所示，通过调整弧面可以在道路方向上产生近乎于矩形光型。

图7 LED路灯的三次配光示意图

(3)多折面式配光

LED光线具有良好的方向性，为获得较好的道路配光，分别设计各组的LED投射方向负责照射各自区域，较为简单的方式是采用V字型面方式。在多折面式配光设计时，路灯中各组的大功率LED分别安装在不同平面上，通过调整各组相对角度来获得路灯的光输出特性和近似矩形照明效果，满足道路照明标准中的要求。图7(c)为多折面式LED路灯示意图。

(4)反光杯式配光

通过LED反射器的设计来获得路灯灯光的输出特性。为单个LED单独设计XY轴方向非对称的反射器，此方案类似于平面式配光，不同的是使用自由曲面反光器，使其获得光输出接近于“蝙蝠翼”形，设计多个反射器并排列同样可以得到较好的道路照明效果。

2.4 LED路灯配光方案分析

无论采取何种技术手段或方案，就LED路灯配光来说，其光输出特性满足夜间道路照明标准要求，该技术或方案具有良好的使用价值。上述配光各有优缺点，如表2所示。一种LED路灯配光方案往往需要进行多次配光的组合和反复设计，以达到道路照明的标准。如LED一次配光(透镜封装)和灯具的二次配光的组合、LED的二次配光单元和灯具的三次配光的组合、LED路灯的反射器二次配光等。

表2 配光方案的对比

目前，功率型白光LED正朝着单片大功率的方向发展，由于芯片散热瓶颈制约，采用多芯片组合封装的单片大功率LED的散热相对困难，光效相对较低。

所以，综合考虑封装、散热、光效、显色等因素，通常选择单个LED功率在1瓦至数瓦、光效为90~100lm/W的产品，通过多粒阵列混联方式来达到总体功率要求，LED路灯配光方面则通过在同一平面合理排列具有较好一次配光的LED,并对该平面的LED整体应用自由曲面光学元件(透镜或反光杯)进行二次配光，以达到道路照明配光要求。该方案减少了LED路灯总体的配光次数，即减少了LED输出光的损失，提高了灯具的效率;简化了灯具的相对设计、加工难度;保证了路面均匀度、照度、光型;便于整体设计。

因此该方案具有良好的研究前景。

3 小结

LED路灯配光设计是LED道路照明应用的关键之一。本文主要分析了LED路灯的配光方案，对各方案的优缺点进行了比较，认为基于自由曲面光学元件的配光设计方案具有良好的发展前景。LED路灯的配光在LED道路照明中具有重要意义。随着LED技术的不断发展，LED路灯应用于道路照明的前景将更加广阔。