新型LED路灯照明二次光学设计思路[1]

　　由于白光LED具有很多显着的优点，将其应用于公共城市照明设施地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家路相关标准，并可以灵活地适用于不同的道路情况。

　　公共城市照明在照明市场上占有庞大的份额，根据统计，城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例，约439亿kwh,以平均电价0.65元/kwh计算，一年开支285亿元。目前，广泛应用于城市公共照明的是高压钠灯，特别是在主干道上，高压钠灯可以提供100lm/W以上的发光效率。但其本身的缺憾也很明显：

　　光源的光谱成分偏黄，显色指数极低;

　　灯具的寿命短，更换工作量大;

　　不便于对于灯的功率进行调节;

　　随着20世纪90年代固体物理学的高速发展和新半导体材料的突破性发现，近10年来LED技术取得了突飞猛进的发展。白光LED的出现，以其特有的低电压驱动、体积小、重量轻、显色性好、调光性能好、寿命长(达2万小时以上)、耐振动、不易损坏、符合环保要求等优势，使半导体光源将成为城市道路照明理想的节能光源。其显着的优点为：光效高。

　　目前商业化的白光LED光效已达到90-100lm/W左右，预计2年内能达到150lm/W以上，而这并非LED光效的上限，各国的专家都把光效地目标定在200lm/W左右。

　　1、寿命长

　　理想的目标是10万小时，而目前商业化的白光LED寿命可到5万小时，比传统光源寿命要长10一20倍。做成城市道路照明光源，则可以10年不换光源，大大节省了日常的维护费用。便于对于灯的功率进行智能调节;可以附加二次光学系统，最大限度地利用LED的光能，满足各种应用场合特定的照度与光强分布。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的这些显着优点和白光LED技术的日臻成熟，开发高效、长寿、绿色环保的半导体光源城市道路照明系统，具有十分重要的意义。

　　2、二次光学系统的设计

　　道路照明系统不同于一般的照明灯具，其被照明的场是一矩形区域。表1-1和表1-2为国家路灯标准。根据国家公路照明标准，主干道的平均照度是15lx,均匀性为30%;次干道的平均照度是8lx,均匀性为30%,其中均匀性为照射路面的最低照度/平均照度。

　　由于高压钠灯为全角360度发光，通常在光源背面加上一个反光装置使发出的光照射到路面上以提高能量利用。但是由于高压钠灯光源庞大，缺乏有效的光学装置，高压钠灯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，而在径向衰减很快。如图(1)所示。

　　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5lx,次干道不小于2.4lx,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，从而降低了总的能量利用率。

　　现有的LED发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，如国家规定主干道路灯的照明区域为10x50平米的矩形区域。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。如果能够将LED芯片发出的光合理的分配道路面上面，在路面上面形成一个均匀照度的长方形区域，则可以在低的发光效率下实现高于高压钠灯的能量利用率。

　　下面我们从系统效率的角度来估算不同路灯的光效，由表2可见，LED光源的系统效率要比传统钠灯的高很多。

　　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，一些工厂开始进行开发尝试，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。也就无法将LED路灯应用到支路照明、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的分配道路面上面，即解决有序地光能量的传输问题，而这正是非成像光学的一个主要的研究方向，即给定照度分布光学系统的设计。