LED路灯的二次光学研究分析

LED照明将先在道路照明中广泛应用，这样的推断是基于LED的长寿命、高效率、光线利用率高等特点。很多人对LED在道路照明中的应用已经作了很多尝试，但是不难看到这两三年来LED路灯并没有得到很好的发展，究其原因在于：成本高、寿命短、照明效果差(均匀性差)。

　　值得庆幸的是上游产业发展迅速，LED芯片光效的提升和价格的降低，都使LED道路照明越来越近，专业的光学设计也使得照明效果有很大提升，也有更多的厂家在作这样的尝试，本文提出一个新的光学解决方案——独立单元的反光器，旨在为人们寻求一种新的LED道路照明解决方案。

　　与透镜相比，反光器的特点在于：成本低、效率高、装配容易。

　　常见透镜材料为PMMA，目前的技术PMMA材料的透射率只有94%，制作成透镜后由于折返射的效果，通常会有更多的额外光损失，以以下实例说明：

　　设置了一光源，产生50000条光线：

　　

 

　　未有PMMA透光板时，效率为100%，现在在正前方设置一理想状态PMMA透明平板：

　　

 

　　效率变为94.337%。

　　(注：图中出现16808Rays是因为一根光线经过PMMA与空气的接口可能会同时发生折射和反射，因而增加了光线数量，但是从能量角度产生了一定损耗。)

　　若将PMMA材料制作成透镜，则损耗更大，以下列举市面上常见的PMMA材料透镜为例(考虑到透镜背部总有漏光现象，而实际上漏光是无法利用的，因此在系统背部设置了全吸收的基板，以增强数据的严谨性)：

　　

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透镜外形图

 

　　

 

　　光线经过透镜后的杂散光分析

　　

 

　　该透镜效率实际只有86%

　　反光式光学系统相对分析比较容易，经过对光源的出光能量分布分析，通过再分配的方式设计道路照明适合的透镜。

　　光源Lambertian出光模式(即常见的Lumileds、CREE、Edison LED)，结合设计的反光器，出光的两个角度分别为50度和120度，即路灯放置于10米杆高可以在地面形成约12×30米的均匀光斑，根据照度需求增加/删减单元个数。

　　1、光线轨迹：

　　

 

　　

 

　　2、单颗1W照明效果图(照度分布)：

　　

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3、以下是模拟一段道路的照明效果：

 

　　道路为15米宽，采用对称式部灯，10米杆高，32米杆距，灯具安装角度为5度，悬臂长1.5米。马路表面照度均匀，90%光线集中于马路上，路边照度逐步递减，没有硬光边，不会引起驾驶人员的视觉不适。

　　

 

　　效率分析：

　　经反光系统的照射光线分为“直接光线”和“反射光线”，即部分光线无需通过反光壁直接散射，而另外一部分光则经过反光壁照射到相应的位置。

　　将反射壁设置为“Perfect Absorber”，然后根据出射效率即可以得到有多少光线不需要经过光学系统直接照射：

 

　　

 

　　由此可见：该光学系统中有41.88%的光是直接照射，不需经过光学系统，即能量损失为0，另有58.12%的光需要经过反射壁反射，反射效率取决于反射壁材料及加工工艺。通过镀增强铝膜或者银模，反射效率可以达到90%以上，因此反光系统效率可以达到并超过以下数值：

　　41.88%+58.12%×90%=94.19%

　　远远高于透镜方式的86%的效率，即100lm的光我们可以利用到94.19～98.84lm。

　　该反光碗最大优点是效率高，使用光源是常见的Lambertian出光模式的LED，单颗光源达到这样的效果而不是排列组合，因此可以根据路灯功率需要增减LED数量。