LED道路照明系统的光学设计及发展趋势-LED技术论文(1)

1、LED道路照明系统的背景介绍 为了满足城市道路照明设计标准，传统的道路照明灯具往往采用耗电200瓦以上含水银的灯泡。相比之下，到2009年，市场上发光二极管（LED）的光学效率已经超过了100lm/W，这意味着采用LED作光源的路灯，其耗电量将会大大的减少。

由于LED的超长寿命、不含汞和节能的特性，采用LED作光源的路灯来取代传统的LPS（低压钠灯）或MH（金属卤化物灯）是很好的选择。目前，LED路灯在世界上各个国家都进行了测试。

为了解决能源紧缺和温室气体的排放问题，LED路灯在一些地方已经实用化，其中中国、北美以及欧洲的一些地区和都市的政府进行了积极的推广。 由于市场上出厂的LED大部分都是呈郎伯型（Lambertian distribution）分布，中心光强比较强，而且是对称的圆形光斑分布，不能直接用于道路照明。

为了满足城市道路照明设计标准，LED路灯需要进行二次光学设计，以产生一个长方形、均匀分布的光斑，其配光曲线需要呈蝙蝠翼的形状。另外，光学设计的好坏直接决定了LED路灯的效率，有的LED路灯加上了设计不好的二次透镜之后，有些光在透镜里面多次反射后损耗掉了或者是不能配到有效的区域，有些二次透镜虽然光斑形状和均匀度都可以，但出光效率却降低了将近一半。

还有，光学设计的好坏也均定了LED路灯有无眩光，有的设计得不好的透镜，虽然也可以产生一个长方形、均匀分布的光斑，配光曲线也可以呈蝙蝠翼，但由于没有采用截光设计，导致沿道路方向75~90范围的出射光还是很多，这样就会给远处的车辆或行人造成眩光。 好的光学设计应充分利用LED光源面积小这一优点，充分考虑光的利用率，将所有从LED芯片发出的光都分配到路面上，形成一个均匀度好、无眩光、配光曲线呈蝙蝠翼的光斑。

本文将基于这些因素来探讨LED道路照明系统的光学系统设计及发展趋势。

2、 自由曲面二次光学的设计方法 由于道路照明要求路灯的光斑是长方形，在垂直于道路的方向，其出射的光束是会聚的，而沿着道路的方向，其出射光束是发散的，并且有一个很大的视角。对于这种一个方向是会聚而另一个方向是发散的配光，那么所对应的透镜，其在垂直于道路方向的剖面应该是个正透镜，而沿着道路的方向的剖面应该是个负透镜，所以透镜的整体可以用一个不规则的自由曲面来表述。

利用上述的

(1)~

(9)关系式，结合曲面控制网格的节点法线矢量的匹配法，可以计算出曲面上各个点的法线矢量，从而得出各点的轮廓线，进而构成完整的自由曲面。具体的曲面控制网格的节点法线矢量的匹配法如以下所述：