由于白光LED具有很多顯著的優(yōu)點,將其應用于公共城市照明設(shè)施地替代光源有著許多的優(yōu)點。然而要真正充分發(fā)揮半導體光源的長處,二次光學系統(tǒng)的設(shè)計至關(guān)重要。本文介紹了一種獨特的適用于城市道路照明二次光學系統(tǒng),他能較好的滿足城市道路照明的家路相關(guān)標準,并可以靈活地適用于不同的道路情況。

　　公共城市照明在照明市場上占有龐大的份額,根據(jù)統(tǒng)計,城市公共照明在我國照明耗電中占30%的比例,約439億kwh,以平均電價0.65元/kwh計算,一年開支285億元。目前,廣泛應用于城市公共照明的是高壓鈉燈,特別是在主干道上,高壓鈉燈可以提供100lm/W以上的發(fā)光效率。但其本身的缺憾也很明顯：

　　光源的光譜成分偏黃,顯色指數(shù)極低;

　　燈具的壽命短,更換工作量大;

　　不便于對于燈的功率進行調(diào)節(jié);

　　隨著20世紀90年代固體物理學的高速發(fā)展和新半導體材料的突破性發(fā)現(xiàn),近10年來LED技術(shù)取得了突飛猛進的發(fā)展。白光LED的出現(xiàn),以其特有的低電壓驅(qū)動、體積小、重量輕、顯色性好、調(diào)光性能好、壽命長(達2萬小時以上)、耐振動、不易損壞、符合環(huán)保要求等優(yōu)勢,使半導體光源將成為城市道路照明理想的節(jié)能光源。其顯著的優(yōu)點為：光效高。

　　目前商業(yè)化的白光LED光效已達到90-100lm/W左右,預計2年內(nèi)能達到150lm/W以上,而這并非LED光效的上限,各國的專家都把光效地目標定在200lm/W左右。

　　1、壽命長

　　理想的目標是10萬小時,而目前商業(yè)化的白光LED壽命可到5萬小時,比傳統(tǒng)光源壽命要長10一20倍。做成城市道路照明光源,則可以10年不換光源,大大節(jié)省了日常的維護費用。便于對于燈的功率進行智能調(diào)節(jié);可以附加二次光學系統(tǒng),最大限度地利用LED的光能,滿足各種應用場合特定的照度與光強分布。近年來,常規(guī)化石能源日趨緊張,石油、煤等常規(guī)能源價格不斷攀升,特別國際油價更達到歷史高位,造成了能源供應的形勢愈加嚴峻。由于LED的這些顯著優(yōu)點和白光LED技術(shù)的日臻成熟,開發(fā)高效、長壽、綠色環(huán)保的半導體光源城市道路照明系統(tǒng),具有十分重要的意義。

　　2、二次光學系統(tǒng)的設(shè)計

　　道路照明系統(tǒng)不同于一般的照明燈具,其被照明的場是一矩形區(qū)域。表1-1和表1-2為國家路燈標準。根據(jù)國家公路照明標準,主干道的平均照度是15lx,均勻性為30%;次干道的平均照度是8lx,均勻性為30%,其中均勻性為照射路面的最低照度/平均照度。

　　由于高壓鈉燈為全角360度發(fā)光,通常在光源背面加上一個反光裝置使發(fā)出的光照射到路面上以提高能量利用。但是由于高壓鈉燈光源龐大,缺乏有效的光學裝置,高壓鈉燈在路面上形成的光斑通常是一個不均勻的圓斑：中心處很亮,而在徑向衰減很快。如圖(1)所示。

　　為了達到國家照明標準的均勻性要求,通常不得不提高輸出功率使得周圍暗斑的照度主干道不小于5lx,次干道不小于2.4lx,然而大量的能量則浪費在路燈的正下方中心處和道路的外側(cè),從而降低了總的能量利用率。

　　現(xiàn)有的LED發(fā)光源是光強分布近似朗伯源的點光源,單個的功率都在1瓦左右,而道路照明往往要求有特定形狀的被照光場,如國家規(guī)定主干道路燈的照明區(qū)域為10x50平米的矩形區(qū)域。因此要組成道路照明系統(tǒng),就不能簡單地將LED組合一起,這樣形成的圓形光場將不利于光能的利用,無法滿足國家標準對整個被照區(qū)域光照度均勻性的要求。如果能夠?qū)ED芯片發(fā)出的光合理的分配道路面上面,在路面上面形成一個均勻照度的長方形區(qū)域,則可以在低的發(fā)光效率下實現(xiàn)高于高壓鈉燈的能量利用率。

　　下面我們從系統(tǒng)效率的角度來估算不同路燈的光效,由表2可見,LED光源的系統(tǒng)效率要比傳統(tǒng)鈉燈的高很多。

　　國內(nèi)生產(chǎn)各類道路照明燈具的生產(chǎn)廠家也不少。而目前在大功率LED道路照明方面,一些工廠開始進行開發(fā)嘗試,但若是簡單地進行多芯片或多器件組合,則在實際的照射面積、有效面積的照度不均勻性等方面都很難達到國家的相關(guān)標準。也就無法將LED路燈應用到支路照明、次干道照明進而拓展到主干道照明領(lǐng)域,而如果硬要為達標準而增加功率,則LED高光效的特點就不復存在。

　　要設(shè)計適用于半導體道路照明的高效光學系統(tǒng),關(guān)鍵問題在于設(shè)計出有效可靠的光學系統(tǒng)使得光源發(fā)出的光均勻的分配道路面上面,即解決有序地光能量的傳輸問題,而這正是非成像光學的一個主要的研究方向,即給定照度分布光學系統(tǒng)的設(shè)計。

　　非成像光學是近幾十年來逐漸發(fā)展起來的專門研究光能量傳輸問題的新的光學分支,主要通過設(shè)計折射和反射表面“有序”控制光線的光學系統(tǒng),從而提高能量的傳輸效率。

　　在點光源的近似條件下,上述給定照度分布問題的解可以抽象成一個數(shù)學模型。然而當在三維空間中考慮該問題時,該問題變成一個非常復雜的二階非線性蒙特安培偏微分方程,人們進行了各種各樣的方法研究這個方程的解法[6][7].由于求解過程非常復雜,在特定的邊界條件下得到的解并不具有實用價值,無法得出實用的光學系統(tǒng)。

　　我們的研究為解決非成像光學中給定照度問題提供一個新的解決方法和理論依據(jù),能夠更方便地將非成像光學應用到半導體照明領(lǐng)域的光學系統(tǒng)設(shè)計,能更好地收集和利用光源發(fā)出的大角度光線,能更好地發(fā)掘LED的潛力,據(jù)此設(shè)計出全新的LED道路照明系統(tǒng),提高系統(tǒng)的光效,形成自主只是產(chǎn)權(quán)。新的理論與方法也將適用于其它半導體照明應用領(lǐng)域的非成像光學系統(tǒng)設(shè)計,如采用LED作為光源的新型汽車車燈、投影儀光源、背光源照明設(shè)計等方面。