LED路灯光学设计

ＬＥＤ道路照明光源的配光

设计与实现

罗毅，钱可元

清华大学集成光电子学国家重点实验室清华大学深圳研究生院 半导体照明实验室

内容

Á城市道路照明系统的功能

Á从道路照明国家标准看配光设计的意义Á传统路灯配光曲线模型

Á理想路灯的光场分布

Á二次光学的非成像光学设计

Á系统散热及及可靠性设计

ÁLED路灯应用推广的对策

城市道路照明系统的功能

Á照明——行人、车辆以辨认道路之便利

»达到一定的照度

Á照明以外的功能——美化、气氛、安全……

¿造型、光色、变幻比照度更重要

从道路照明国家标准看配光设计的意义

Á

道路照明国家标准的重点：

照明区域的设定

1.2.最小照度（亮度）的要求 3.路面照度的均匀度4.

眩光及光污染的限制

道路亮度(cd.m -2)照度（lx ）灯具安装高

度（m)

路面

宽度

路面照明长度（m ）路面照明面

积（m 2）

平均等级（m ）平均亮度均匀度照度均匀

度最低高度最高高度最小长度最大长度最小面积最大面积10035035Ⅱ 1.00.35150.35810103250320500Ⅲ

0.5

0.35

8

0.35

6

8

10

24

40

240

400

无配光系统的照射模型

a朗伯型光源的照射模型b在路面照度强度分布

国家标准考核的路面照明模型

理想的照明区域

灯杆

被照区域10米

40米

与现有光源的配光曲线相去甚远

传统路灯的配光光效

Á发光的立体角为4π；

Á有>50％的向上的光要靠反光碗反射15％损耗；

如光源为近似朗伯源，

在12米的灯杆高度的

情况下，照在国家规

情况下照在国家规

定的10x40米范围内

的光能<45%。

45%

LED路灯的优势－光学配光方面的优势

Á发光立体角小；

近似点光源便于二次光学系统的设计；

Á近似点光源，便于二次光学系统的设计；

Á均匀度有望大大提高(0.7)；

ÁLED为冷光源，便于二次光学器件的制作；Á灯具总的光效高；

照明效果

LED100 lm/w 传统灯具的100 lm/w

给定照度分布问题三维设计

光学系统定义了一个从光源到照射平面的光学系统定义了个从光源到照射平面的一个映射，如果映射连续可微在照射区域形成的照度分布为L(p):i p

γ→G J G 可微，在照射区域形成的照度分布为L(p)

L I i J i =()()/|(())|

p γ在三维空间中该方程在三维空间中，该方程是一个高度非线性的Monge-Ampere 偏微分方程，在各种边界条件

下求通解非常困难。

映射γ示意图

给定照度分布问题

Á数学角度：二阶偏微分方程揭示了照度问题的数学本质，所有可能的设计都是该方程的解。

学本质所有可能的设计都是该方程的解

Á物理角度：几何光学并没有对光线的能量进行描述，一束光线不能够代表一定的能量。因此，当面对和能量有关的问题的时候，必须在几何光学的基础上（折射反射定律）加入能量的概念的基础上（折射，反射定律）加入能量的概念，也就是前面的能量守衡方程联合逆向求解

三维光学表面数据点的计算

Á利用叠代的方法得到透镜表面的坐标点和法向矢量

曲面各点的坐标

曲面各点的法矢

三维光学表面的造型

Á离散的数据点和表面法矢透镜的表面模型

二次光学系统安装示意图

设计实例—光场分布

实际设计部件仿真照度分布图

新型LED路灯的特点

Á光能的高效利用

Á光源为近似朗伯源，在12米的灯杆高度的情况下，照在国家规定的

10x40米范围内的光能>80%。

应用的灵活性

Á每个单独LED光源系统出

射的光场是相同的；单个光源

Á可以根据实际路面的照

明要求简单地改变LED

明要求，简单地改变LED

的数量，而不用改动光

的数量而不用改动光

学系统。

系统散热及及可靠性设计

Á路灯功率的估算

LED光效:90lm/W

À光效: 90 lm/W

À高压钠灯光效：100-120lm/W

À二次光学与灯具系统效率的改进

节能左右

节能50%左右

主干道的路灯功率应在100-200W之间！

100200W

系统散热及及可靠性设计Á

系统散热必须考虑整机的低热阻Á产业化则必须考虑成本与制作的简易性无风扇热管等复杂被动散热系统分散型散热系统

无风扇、热管等复杂及运动部件从寿命及灯具可靠性考虑< 0.5W 小功率

LED LED 寿命及灯具可靠性考虑，目前1-3W 的LED 器件最合适

>30W LED ？> 30W LED 集成模组

实际路灯的设计外形

照度均匀性高

Á照度均匀性可达70～80％；

Á可以实现基本光场的无缝连接，使马路真正呈现出一条连续的“光毯”。

正呈现出条连续的光毯。