新型LED路灯照明二次光学设计思路[2]

　　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这个方程的解法[6][7].由于求解过程非常复杂，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。

　　我们的研究为解决非成像光学中给定照度问题提供一个新的解决方法和理论依据，能够更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，能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，形成自主只是产权。新的理论与方法也将适用于其它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、背光源照明设计等方面。

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

　　3、新型路灯的设计

　　在理论研究方面，主要解决半导体光源二次光学设计中三维非成像光学设计的难点，填补国内外在这方面的空白，并能据此研发了具有自主知识产权的城市道路照明应用产品。具有很多其他同类产品无法比拟的优越性：

　　照度分布形状合理：

　　根据单颗LED设计二次光学系统，其照度分布如图3所示，由于照射形状是一个长方形，可以方便的拼接起一条没有盲区的明亮道路，也就是可以在满足国家道路照明标准的前提下，合理的将能量分配道路面上，有效地减少了浪费的能量。

　　高均匀性，高效率：

　　新型路灯的另一个优势就是在照明区域内具有很高的照明均匀性，均匀性优于国家规定的路灯照明标准的要求，这样就可以在达到同样人眼对亮度的感觉情况下，减少对路面照度的要求，进一步节约能源。

　　使用灵活，安装方便：

　　目前，大功率LED的发光效率已经达到90lm/w,但是单颗LED不能满足道路照明的需求，因此需要多颗LED拼装成一盏实用的路灯。由于每一个LED都可以在整个矩形照明区域内形成均匀的照度分布，因此可以根据实际路面的照明要求及灯杆的高度，简单地改变LED的数量，而不用改动光学系统，具有很高的使用灵活性。

　　稳定可靠

　　图4是对高压钠灯LED路灯在三天时间内测量的光源照度均匀度的变化，可以清楚地看出，LED路灯不但在空间上，在时间上也同样比高压钠灯要均匀稳定得多。

　　使用寿命长

　　从目前的光衰试验结论来看，连续点亮5000小时，基本无光衰，因此LED路灯做到3-5万小时的使用寿命已经是完全可以实现目标。

　　4、结论

　　多年来进行LED路灯的研发并转换成产品，碰到和解决了很多问题，学校和企业注册了五十项发明与实用新型专利。在此基础上建起了全中国唯一大规模量产LED路灯的厂家，拥有较多的应用案例，实际安装已超过200公里。LED路灯产品在路面上应用了一年多，并做了六次重大产品改良，产品日趋成熟。在解决问题中积累的产品开发和工程应用的经验，可有助于用户了解半导体照明产品的真实特性，增加选用信心，减少政治和技术的风险。

　　半导体光源城市道路照明系统作为一个新的技术，在应用上还有许多难题，其中最关键的是要在满足国家标准要求的前提下，保证系统的高效率。随着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光源的显着优点和白光LED技术的日臻成熟，节能、长寿、光照均匀、灵活方便、绿色环保的半导体光源城市道路照明系统的应用，对节省建设资金，缓减用电矛盾，构建节约型社会具有重大意义。