详解LED灯的二次光学设计

　　LED路灯的二次光学设计决定了LED路灯的配光及光输出效率，是评判LED路灯整灯质量最重要的组成部分之一。目前LED路灯所运用的LED大致为单颗集成式和单颗阵列式两种，单颗集成式LED模组有30W、50W、60W、75W、90W、100W甚至200W的。现在厂家用的透镜基本都是采用玻璃制作，但玻璃加工难度大，批量制造一致性差，机床、模具和工人操作都会对加工精度产生影响。另外也不适宜周PMMA塑料制造的透镜，因为集成LED模组所用透镜体形大，为了能够达到配光的效果，内部结构之间的厚度会相差很大，注塑成形后也会因收缩率不同而产生变形，因此难以达到准确配光。

　　国内生产各类道路照明灯具的生产厂家也不少，而目前在大功率LED道路照明方面，仅简单地进行多芯片或多器件组合，故在实际的照射面积、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，也就无法将太阳能庭院灯应用到支路照明、次干道照明进而拓展到主干道照明领域。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。要设计适用于半导体道路照明的高效光学系统，关键问题在于设计出有效可靠的光学系统，使得光源发出的光均匀地分配在道路上面，即解决有序的光能量的传输问题，这正是非成像光学的一个主要研究方向，即给定照度分布光学系统的设计。

　　非成像光学是近几十年来逐渐发展起来的专门研究光能量传输问题的新的光学分支，主要通过设计折射和反射表面有序控制光线的光学系统，从而提高能量的传输效率。

　　在点光源的近似条件下，上述给定照度分布问题的解可以抽象成一个数学模型。然而当在三维空间中考虑该问题时，该问题变成一个非常复杂的二阶非线性蒙特安培偏微分方程，人们进行了各种各样的方法研究该方程的解法。由于求解过程非常复杂，故在特定的边界条件下得到的解并不具有实用价值，无法得出实用的光学系统。

　　现在的研究为解决非成像光学中给定照度问题提供了一个新的解决方法和理论依据，能够吏方便地将非成像光学应用到半导体照明领域的光学系统设计，更好地收集和利用光源发出的大角度光线，能更好地发掘LED的潜力，据此设计出全新的LED道路照明系统，提高系统的光效。新的理论与方法也适用于其他半导体照明应用领域的非成像光学系统设计，如采用LED作为光源的新型汽车车灯、投影仪光源、背光源照明设计等。

　　因此，通过改进道路照明的结构来提高传输效率，具有很大的提升空间。一种较实用的方法是采用非成像光学的原理设计特殊的光学系统，更合理地分配LED发出的光能，以在

　　满足国家标准对光照度和均匀性要求的前提下，提高道路照明系统的性能，尽量提高能量的利用率。

　　LED路灯矩形光斑的二次配光可以由几种技术来实现。采用其中的一种非对称自由曲面技术时，透镜呈半球形，不同于现在常见的长条形透镜。大功率LED路灯透镜如图4-3所示。

　　LED路灯采用单颗1W阵列式方案，二次配光直接由单个LED光学元件完成，路灯灯头只要用矩形配光的模块作一个阵列式安装，即可达到理想的使用效果。整体LED路灯经测试表明达到了比较好的配光效果，其均匀度为0. 57。

　　大功率LED工程照明应用的另一个关键问题是配光问趣。传统光源照射方向为3600，灯具依靠反射器将大部分光线反射到特定方位，一般来说有效光为光源的40%～70%，光源输出的很大一部分光被转换成热量在灯具内部消耗掉。大功率LED路灯配光如图4-4所示。

　　LED灯的绝大部分光线都是前射光，可以实现>95%的光效，这是LED区别于其他光源的重要特性之一。如果不能将这一特性很好地利用，就会使LED的优势大打折扣。大多数大功率LED灯由于是多个LED芯片拼装，所以要将这么多光源照到不同方向，有很大的难度，往往造成两种后果：照到需照亮区域之外的地方，如图4-5所示，造成光源浪费;路面照度不均匀，如图4-6所示。

　　为达到道路、隧道、厂区等不同场合照明标准的要求，充分发挥芯片整体封装的特点，采用透镜，通过光学设计，根据不同需要，配备不同凸面曲线，依靠透镜将光线分配到不同方向，保证出光角度大的可以达到1200～1600，小的可以将光线聚集在30 0以内。透镜一旦定型，在生产工艺保证的前提下，同种灯具的配光特性也就达到了一致。经过多次试制，已成功研制并定型了多款透镜。目前隧道灯、路灯和一般照明灯已达到各自应用场所的照明要求。