摘要：本文主要以LED路灯的配光设计为例对道路照明的配光优化设计作了进一步分析和探讨。
关键词：道路照明；LED；配光；优化；设计
光源在空间各个方向的光强分布即为配光。道路照明配光是使路灯光线尽可能投射到被照路面各个区域，获得符合道路照明要求的光分布。目前LED灯已广泛应用于道路照明系统，做为现今极具竞争力的新型固体光源，LED具有体积小、寿命长、能耗低、控制灵活等优势。LED的推广应用是国家实现节能减排、创建绿色环保的重要项目。在道路照明中，随着白光LED技术的发展，单粒LED的光通量不断提高，LED取代传统光源用于LED路灯将成为趋势。本文将以LED路灯的配光设计为例作进一步分析和探讨。
一、道路照明的效率现状
以单向三车道主干道路为例，路面设计宽度14米，灯杆高度为12米，灯杆距离为36米，使用灯具为截光型（最大光强方向与灯具向下垂直轴夹角在0~65°之间）此时高压钠的照射面积约为2100平方米，而实际路面有效照射面积只有720平方米，而在这有效面积内能获得多少有效光能不能则取决于灯具的配光；从大量的路灯测量数据来看，配光效率达到60%的少之双少，如此一算NG400T的光效只有61lm/w，NG250T的光效只有57lm/w；如能在在LED固有的指向性强的基础上，运用一种独特的二次光学透镜，将光能均匀的分布到所需照明的路面上，将会大大提高道路照明效率。下表1是9米高灯杆时LED路灯与高压钠灯的效率比较。
表1 9米高灯杆时LED路灯与高压钠灯的比较
| 序号 | 项目 | 250W高压钠灯 | 112WLED灯 |
| 1 | 灯泡光源效率(Lm/w) | 84 | 92 |
| 2 | 电源效率 | 80% | 88% |
| 3 | 照明效率 | 75% | 95% |
| 4 | 10.8x31.5m平均照度(lux)灯距为30m时 | 22 | 21.3 |
| 5 | 10.8x31.5m照明均匀度( 灯距为30m时) | 0.36 | 0.53 |
| 6 | 消耗功率(W) | 312.5 | 127.3 |
| 7 | 耗电量(度/小时) | 0.3125 | 0.1273 |
| 8 | 每日耗电(度/天) | 3.75 | 1.5276 |
| 9 | 节电率 | 基准 | 59.3% |
| 10 | 自动控制节能 （6小时/天） (度/天) | 无 | 0.3819 |
| 11 | 总省电率 | 基准 | 69.5% |
| 12 | 每年省电量(度/年)12H/天计 | 基准 | 951 |
| 13 | 每年省电费(1元/度) | 基准 | 951 |
| 14 | 灯具寿命(小时) | 6000 | 100000 |
| 15 | 电缆安装费用节省(元/公里) | 基准 | 25000 |
| 16 | 变压器投资费用(元/公里) | 基准 | 5100 |
| 17 | 每盏灯可节约材料费用(灯距27米计为37盏/公里) | 基准 | 837 |
| 18 | 灯具造价增加(元/盏) | 基 | 3163 |
| 19 | 收回增加成本年限 | 基准 | 3.3年 |
| 20 | 节省用煤(0.374公斤/度) | 基准 | 355.7公斤/年 |
| 21 | 减少SO 2 的排放 (0.011公斤/度) | 基准 | 10.5公斤/年 |
| 22 | 减少CO 2 的排放(0.83公斤/度) | 基准 | 783公斤/年 |
在道路照明中，如果没有对LED路灯光源配光。照射在路面上的光型会形成面积较大的圆形光斑，如图1所示。
图1未经配光
不能满足道路照明要求的配光效果，容易形成部分黑暗地带、阴影，出现“斑马效应”。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。为了满足对路面的亮度、照度、均匀度的要求，且尽可能使得大部分光都分布在道路面上，以提高灯光的利用率，减少不必要的浪费，需要对LED路灯进行配光。最理想情况是：LED路灯输出的光线照射在路面上所形成的光型或光斑为矩形，如图2所示，这样的配光具有良好的路面均匀度。
图2经配光后
三、LED路灯的配光曲线
发光强度的空间分布曲线通常称为配光曲线。要得到路面上均匀的照明效果，光束中最大光强的投射角度非常重要。路灯的下方，光强I0应为是最小，随着仰角θ增加，光强Iθ增加。
函数关系为：
根据平方反比定律，照度与距离的平方成反比。则与垂直的角度越大，光强越大。当最大光强在垂直面内的投射角度达到55º～65º时，可以达到照度均匀度的要求。一般来说，这时的配光实现宽角度的“蝙蝠翼”形配光。理想的LED路灯配光如3，
图3蝙蝠翼形光强输出曲线
四、LED路灯配光方案
LED路灯的配光方案在道路照明要求的基础上进行,同时要考虑控制眩光和考虑环境系数。对道路照明来说，光效和配光曲线是两个重要参数。在配光方面，LED路灯的光学系统设计通常由一次光学设计、二次光学设计和三次光学设计3部分组成。
1、LED路灯的一次配光
大功率LED透明封装材料（即透镜）的形状设计通常称作一次光学设计，因此考虑将LED的封装透镜工艺与路灯需要的光输出特性结合起来就形成LED路灯的一次配光方案。采用斜射矩形透镜封装配光和采用双头透射封装配光如图4所示。
图4双头透镜封装的LED配光结构和配光曲线示意图
2、LED路灯的二次配光
对LED路灯中的大功率LED采用透镜或反光器进一步改变输出光特性,即为LED路灯的二次配光。LED路灯的二次配光主要有以下情况：
a.采用全反射透镜的LED二次配光
b.采用自由曲面透镜的LED二次配光
c.外置透镜和放射器的LED二次配光
目的都是使光强输出曲线呈蝙蝠翼形，满足道路照明要求。
3、LED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
(2)弧面式配光
(3)多折面式配光
(4)反光杯式配光
4、配光方案对比
见表2。
表2配光方案对比
| 配光方案 | 优点 | 缺点 | |
| 一次配光 | 采用双头透镜封装 | 蝠翼形配光曲线良好 | 封装透镜特殊通用性差 |
| 采用全反射透镜 | 元件设计、加工较简单 | 多粒组合、均匀度一般 | |
| 二次配光 | 采用自由曲面透镜 | 均匀度、蝠翼形配光曲线较好 | 元件设计、加工较复杂 |
| 采用外置透镜和反光器 | 元件设计、加工较简单 | 光输出损失相对较多 | |
| 三次配光 | 采用平面式 | 机械结构、散热、电源控制较简单，整体均匀度较好 | 道路差异较大时不易通用 |
| 采用弧面式 | 调节弧面曲率调整配光 | 散热、灯头设计较繁琐 | |
| 采用多折面式 | 散热平面与安装弧面的结合良好，减小了工艺难度 | 不易调整角度 | |
| 采用反光杯式 | 充分利用周边泄露光线、光输出率高，与平面式类似 | 自由曲面反光杯设计较复杂 |
结论与总结：
道路照明的配光优化设计在于通过独特的光学设计，将所有的光最高效率的投在路面，并与路面下平行形成一个长方矩形的均匀的光照斑，即便在有LED损坏不能正常发亮时，也只是影响其照度，而不会影响其均匀度；LED路顶的配光优化设计不仅要满足上述目标，还要尽可能的提高道路的照晚效率和降低道路照明的能耗。一方面要选用具有低热阻的结构设计与良好的散热设计的LED，从而保证了LED的工作寿命；采用多路而又可靠的恒流源驱动电路，保证LED工作的稳定性，为LED能耗的控制提供方便；利用控制方波电流的占空比，在不同时间断根据不同需要，发出不同强度的光，以求达到进一步节能的目的。
参考文献：
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[4]罗元,毛建伟.LED路灯配光方案研究[J].灯与照明,2011,35(2):43-46.DOI:10.3969/j.issn.1008-5521.2011.02.010.下载本文
