光学设计在大功率LED道路照明上的应用

一、 引言

　　半导体照明（发光二极管，LED）是新型高效固体光源，具有节能、环保和长寿命等显著优点,将导致世界照明工业的转型和新兴半导体照明产业的崛起。

　　半导体照明是节能的“富矿”，同样亮度下耗电仅为普通白炽灯的1/10，节能灯的1/2，用寿命却可以延长上100倍。

　　随着LED技术的快速进步和新的应用不断出现，在特殊照明领域节能效果已经显现。如景观照明（替代霓虹灯）节能70%、交通信号灯（替代白炽灯）节能80%，如能在2010年进入普通照明，节能的效果将更加显著。

二、 大功率LED

　１、术语解释

&&& &从消耗功率来讲，我们通常把毫瓦级LED称为小功率，把瓦级LED称之为大功率。

图1 LED封装示意图

　2、目前通常所见的大功率LED分为单芯片大尺寸和多芯片小尺寸组合两种。

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图2 大功率LED(上视图)&

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&&&&&&&&&&&&&&& 图3& 大功率LED模组

三、 二次光学设计

　１、术语解释

　2. 技术背景

　　现在的交通道路照明设计通常采用常规光源的配光曲线呈广角度圆周正态分布，而现在道路照明设计大都采用单侧照明，这样就会造成局部光源浪费在屋边照明的地方; 另外因为依照现在的交通照设计标准，道路方向路灯间距一般是3倍于灯高，由于常规光源的配光曲线的关系造成有些光源无法照明的黑暗地带。这不仅造成能源的浪费，也给夜间行驶带来很大的不便，产生安全隐患。

图4& 传统路灯屋边照明过多浪费

图5& 传统路灯的灯间不匹配形成照明暗区

　3. 光学设计原理

　　解决上述问题，本文通过设计一种光学透镜，并封装在大功率LED光源上，通过该透镜对光源的发光方向作出改变，使其传播方向发生偏移，以达到提高灯具的照明利用率，保证夜间行车安全的目的。

　　根据光的折射定侓，光线在经过不同的传播介质时，会在介面上发生传播方向的偏移，偏移的方向同入射角度及所经过的传播介质的折射率有关。光的折射率公式：& n1sinθ1 = n2sinθ2 ,其中，n1和n2分别是两个介质的折射率，θ1和θ2分别是入射光（或折射光）与界面法线的夹角，叫做入射角和折射角。

　　本文设计的透镜顶部是一个倒圆角的矩形，此矩形与水平面保持一定的斜度，通过光线的折射成为达到光线偏移的目的。

　　上面有提到现在的道明照明设计中，灯距一般是灯高的3倍，而灯高一般等同于道路的路宽，根据几何三角关系可以计算出照明灯具的配光角度应当为C0/180方向约140度，C90/270方向约80度。计算的示意图请参照下面图6。

　　同样的，为了提高路灯在道路照明利用率，我们尝试让灯具的发光光强中心往道路方向倾斜一定角度，理想状况是光强中心落在道路中心线上。考虑到路灯灯具本身与水平方向会有大约10度的仰角，依据几何三角关系可以计算出灯具发光光强中心要往道路方向偏移15~20度。计算的示意图请参照下面图6。

图6 灯具安装示意图

　　透镜装配在LED支架上，支架上固有大功率LED晶片。透镜的表面上可以增镀增透膜，在透镜与晶片间的空腔采用耐高温硅胶灌封，以减少光线在空腔中的多次反射，直接通过透镜折射出去。

　　此款透镜相对常规LED透镜来说，起到偏光增透作用，相当于二次光学透镜与一次透镜融为一体。&&&&&

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图7& 光源结构图

图8& Ray Trace

图9& Illuminance Map

图10& Polar Candela Distribution

图11　Rectangular Candela Distribution

三、 道路照明应用

　　通过特殊光形设计的LED应用在路灯灯具上，可以使灯具的发光角度发生偏移，提升了路边的照明利用率;根据矩形的长宽比可以产生长宽比为2:1的光斑，这样相邻的光斑之间则不会出现阴影，可以在路面上形成一条明亮的照度均匀的光带，因而更符合现在的交通道路的照明设计，而且还提高了灯具的照明效率，降低了道路的照明功率密度 ，从而达到节能、绿色环保。

应用实例：

　　大功率LED路灯/九洲光电

图12& LED路灯灯具

图13& Equal Candela Curve

图14 Polar Candela Distribution (C0/180)&&&&&&&&&&&&&

&&&&&&图15 &Polar Candela Distribution (C90/270) &&&&&

图16& 特殊光学设计的路灯形成照明光带

四、 结束语

　　节能、环保的半导体照明，是缓解我国能源紧张的有效途径之一，现在已经没有多少人怀疑半导体照明的广泛应用和产业前景了。LED作为绿色、节能、长寿的新一代照明和显示器件中的光源，将在5-10年内大规模取代传统光源，已成为世界各国科技界、产业界的共识，一场照明领域的革命已经清晰地显现出它亮丽的晨光。

　　在能源紧缺的社会建设中，节能绿色环保的LED照明是照明产品的发展必然趋势！ 现在国内外照明巨头在不断加强LED照明的开发力量，抢攻中国路灯市场 ，瞄准了LED照明大市场 。

关于九洲光电LED技术研究中心：

　　九洲光电LED技术研究中心成立于2007年5月，直属四川九洲电器集团国家企业技术中心,是国家级LED企业技术中心。

　　该中心现有各类研发技术人员60余人，其中博士4人、硕士2人、本科16人、专科18人；所涉及专业领域涵盖材料、电子工程、外观设计、模具结构、工艺美术、电子电源、软件设计等。

　　该中心同时与国内及香港众多大学及科研机构建立了技术交流平台和联合实验室。

　　作为LED行业的后起之秀，九洲光电也不会在此市场缺席，预计2008年将推出新型设计功能的路灯 。