LED 가로등 2차 광학 렌즈 매칭 기술

에너지 절약, 배출 감소 및 지속 가능한 도시 개발을 추구하는 세계적인 노력 속에서, LED 가로등은 점차 기존의 고압 나트륨 램프를 대체하며 도시 도로 조명 시스템의 핵심이 되었습니다. 높은 발광 효율, 긴 수명, 우수한 조광성 및 환경 보호라는 장점 덕분에 LED는 도로 조명에 혁신적인 업그레이드를 가져왔습니다. 그러나 LED 칩에서 방출되는 빛은 본질적으로 불균일하게 분포되고 빔 각도가 큰 상태로 산란됩니다. 효과적인 광학 제어 없이는 조도 균일성, 눈부심 제어 및 광 이용 효율에 대한 도로 조명의 엄격한 요구 사항을 충족하기 어렵습니다. LED 가로등 성능을 최적화하는 핵심 연결 고리인 2차 광학 설계는 조명 품질을 개선하고 에너지 절약 목표를 실현하는 핵심 초점이 되었습니다.

2차 광학은 1차 광학(칩에서 최대의 빛 추출을 위한 캡슐화 설계)을 기반으로 외부 광학 부품(렌즈, 반사경 등)을 통해 LED에서 방출되는 빛을 재분배하고 제어하는 과정을 의미합니다. 핵심 목적은 필요한 조명 영역에 빛을 집중시키고, 유효하지 않은 빛 산란을 줄이며, 광 분포 곡선을 최적화하여 궁극적으로 높은 조명 품질과 낮은 에너지 소비 사이의 균형을 달성하는 것입니다. 이 기사에서는 엔지니어링 적용 및 제품 최적화를 위한 실질적인 지침을 제공하기 위해 LED 가로등 2차 광학의 주요 매칭 기술을 자세히 설명하며, 부품 선택, 설계 계획, 장면 적응 및 일반적인 문제 해결을 다룹니다.

2차 광학 매칭을 수행하기 전에 도로 조명의 핵심 요구 사항을 명확히 해야 하며, 이는 광학 설계의 방향을 직접 결정합니다. 중점적으로 고려해야 할 주요 지표는 다음과 같습니다.

• 조도 및 균일성: 도로 등급(간선 도로, 보조 간선 도로, 지선 도로, 보도)에 따라 국제 표준(CIE) 및 지역 사양(예: CJJ 45-2015)을 참조하여 필요한 평균 조도 및 균일성(일반적으로 최소 조도와 평균 조도의 비율 U1 ≥ 0.4)을 결정합니다. 예를 들어, 도시 간선 도로는 운전 안전을 보장하기 위해 더 높은 평균 조도(20-30lx)와 균일성을 요구하는 반면, 보도는 표준을 적절하게 낮출 수 있습니다(5-10lx).
• 눈부심 제어: 가로등의 눈부심은 운전자와 보행자의 시각적 편안함에 심각한 영향을 미치고 잠재적인 안전 위험을 초래할 수도 있습니다. 2차 광학을 통해 수평 및 상향 방향의 빛의 강도를 제어하고 장면에 따라 적절한 차단 유형(전체 차단, 반 차단, 비 차단)을 선택해야 합니다.
• 광 이용 효율: 2차 광학의 핵심 목표는 빛 손실을 줄이는 것입니다. LED에서 방출되는 빛은 가능한 한 도로 표면에 집중되어야 하며, 하늘이나 관련 없는 주변 영역으로의 산란을 피하여 조명 효과를 보장하면서 에너지 이용 효율을 향상시킵니다.
• 환경 적응성: 도로 폭, 전주 높이, 설치 간격, 도로 표면 반사율 및 주변 건물과 같은 요소를 고려해야 합니다. 예를 들어, 좁은 구도심 차선과 넓은 도시 간선 도로는 완전히 다른 광 분포 계획을 요구합니다.

2차 광학 부품(렌즈 및 반사경)의 선택은 매칭 효과에 직접적인 영향을 미칩니다. 서로 다른 부품은 고유한 특성과 적용 가능한 시나리오를 가지므로 실제 요구 사항에 따라 선택하고 결합해야 합니다.

렌즈는 LED 가로등에서 가장 일반적으로 사용되는 2차 광학 부품으로, 굴절을 통해 빛 재분배를 실현합니다. 구조 설계에 따라 다음과 같은 유형으로 나눌 수 있습니다.

• 전반사(TIR) 렌즈: 전반사 원리를 기반으로, 광학적으로 밀도가 높은 매질에서 광학적으로 희소한 매질로 빛이 방출되고 입사각이 임계각보다 클 때 전반사가 발생하여 LED의 산란광을 효과적으로 수집하고 방향을 바꿀 수 있습니다. 장점은 높은 광 이용 효율(최대 90% 이상), 균일한 광 분포 및 컴팩트한 구조입니다. 중고출력 LED 가로등에 적합하며, ±30° 이내에서 빔 각도를 조정하여 기본 광 분포 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
• 자유형 표면 렌즈: X 및 Y축에서 비대칭 직사각형 광 분포로 설계된 고정밀 광학 부품입니다. 특정 도로 요구 사항에 따라 맞춤형 광 분포를 실현할 수 있습니다. 예를 들어, X축에서 ±60°(도로 길이 방향의 조명 요구 사항 충족) 및 Y축에서 ±30°의 균일한 광 분포를 생성하여 도로 조명에 적합한 "배트윙" 광 분포를 형성할 수 있습니다. 장점은 강력한 맞춤화, 다양한 도로 폭과 모양에 완벽한 적응성, 우수한 눈부심 제어 효과입니다. 고급 LED 가로등 및 특수 도로 구간(예: 램프 및 교차로)에 대한 첫 번째 선택입니다. 자유형 표면 렌즈의 설계는 일반적으로 미분 방정식 방법 및 다중 매개변수 최적화와 같은 방법을 채택하여 광원의 광 분포를 대상 조명 표면과 일치시킵니다.
• 어레이 렌즈: 여러 개의 작은 렌즈로 구성되어 있으며, 다중 칩 어레이 레이아웃을 갖춘 LED 가로등에 적합합니다. 각 작은 렌즈는 하나의 LED 칩에 해당하며, 각 칩의 독립적인 빛 제어를 실현한 다음 통합하여 필요한 전체 광 분포를 형성할 수 있습니다. 장점은 유연한 광 분포 조정과 우수한 균일성으로, 다중 칩 배열로 인한 불균일한 광 분포 문제를 피할 수 있습니다. 1W에서 수 와트의 LED 칩으로 구성된 대형 전력 LED 가로등에 적합합니다.

렌즈를 선택할 때 빔 각도 및 광 분포 유형을 고려하는 것 외에도 재료에도 주의를 기울여야 합니다. PC(폴리카보네이트) 및 PMMA(폴리메틸 메타크릴레이트)가 가장 일반적으로 사용되는 재료입니다. PC는 우수한 내충격성과 고온 저항성을 가지며, 실외 열악한 환경에 적합합니다. PMMA는 높은 투과율(>92%)을 갖지만 내충격성이 낮아 비교적 안정적인 설치 환경에 적합합니다.

반사경은 반사를 통해 빛 재분배를 실현하며, 단일 렌즈 광 분포의 결함을 보완하기 위해 렌즈와 함께 사용되는 경우가 많습니다. 표면 모양에 따라 포물선 반사경, 타원 반사경 및 불규칙 반사경으로 나눌 수 있습니다.

• 포물선 반사경: LED의 산란광을 평행광으로 수렴시킬 수 있으며, 장거리 조사 능력이 강합니다. 장거리 조명이 필요한 도로 구간(예: 도시 간선 도로 및 고속도로)에 적합하지만 광 분포 균일성이 상대적으로 낮으므로 일반적으로 렌즈와 함께 사용하여 조사 거리와 균일성의 균형을 맞춥니다.
• 불규칙 반사경: 필요한 광 분포 곡선에 따라 설계되어 비대칭 광 분포를 실현할 수 있으며, 특수한 조명 요구 사항이 있는 도로 구간(예: 도로와 인접한 보도 및 도로 교차로)에 적합합니다. 측면으로 산란된 빛을 효과적으로 수집하여 대상 영역으로 방향을 바꾸어 광 이용 효율을 향상시킵니다.

반사경 선택의 핵심은 반사 효율입니다. 광 손실을 줄이기 위해 높은 반사율(양극 산화 처리된 알루미늄 합금, 반사율 최대 85% 이상)을 가진 재료를 선택하는 것이 좋습니다. 동시에, 거친 표면으로 인한 불균일한 광 분포를 피하기 위해 표면 평활도에 주의를 기울여야 합니다.

2차 광학 매칭의 핵심은 도로 시나리오에 따라 과학적인 광 분포 계획을 공식화하는 것입니다. 핵심은 광 분포 유형(TYPE1/TYPE2/TYPE3) 및 차단 유형을 일치시키고 렌즈와 반사경을 합리적으로 결합하여 최적의 조명 효과를 달성하는 것입니다.

국제 일반 TYPE1/TYPE2/TYPE3 광 분포 분류는 매칭의 핵심 기반이며, 이는 "조사 폭 대 전주 높이"의 비율에 의해 결정됩니다.

• 좁은 도로(보도, 구도심 차선): TYPE1 광 분포 매칭 전체 차단 유형을 선택합니다. TYPE1 광 분포는 대칭이며, 조사 폭이 전주 높이와 거의 같고(예: 10미터 높이의 램프가 10미터 폭을 조사), 빛이 바로 아래에 집중되어 양쪽으로 퍼지지 않습니다. 전체 차단 렌즈 또는 반사경과 매칭하면 빛을 65° 아래로 엄격하게 제어하여 눈부심과 주변 거주자에 대한 빛 공해를 방지하며, 이는 좁은 도로 및 주거 지역의 조명 요구 사항에 부합합니다.
• 중간 폭 도로(비자동자 차선, 커뮤니티 주 간선 도로): TYPE2 광 분포 매칭 반 차단 유형을 선택합니다. TYPE2 광 분포는 약간 더 넓은 조사 범위를 가지며, 전주 높이의 1.5-2배를 덮고(예: 10미터 높이의 램프가 15-20미터 폭을 조사), 빛이 한쪽으로 약간 오프셋되어 균일성과 커버리지 영역의 균형을 맞춥니다. 반 차단 유형은 소량의 수평광을 허용하며, 90° 방향의 빛의 강도는 ≤50cd/1000lm이고 80° 방향은 ≤100cd/1000lm이며, 중간 폭 도로의 일상적인 조명에 적합하며 조명 효과를 보장하면서 주변 거주자의 휴식에 영향을 미치는 것을 피할 수 있습니다.
• 넓은 도로(도시 간선 도로, 주차장): TYPE3 광 분포 매칭 반 차단 유형을 선택합니다. TYPE3 광 분포는 가장 넓은 조사 범위를 가지며, 전주 높이의 약 2.75배를 덮고(예: 10미터 높이의 램프가 약 27.5미터 폭을 조사), 강력한 수평 커버리지 능력을 갖추고 있어 장거리 연속 조명에 적합합니다. 자유형 표면 렌즈 및 포물선 반사경과 매칭하면 장거리 조사 및 균일한 광 분포를 실현하고, 자동차 교통의 조명 요구 사항을 충족하며, 동시에 반 차단 설계를 통해 눈부심을 제어할 수 있습니다.

LED 가로등의 광 분포 곡선은 조명 효과를 직접 결정합니다. 도로 조명에 가장 적합한 광 분포 곡선은 "배트윙" 곡선으로, 중앙에 높은 빛 강도와 가장자리에 낮은 빛 강도를 가지며, 중앙의 과도한 밝기와 가장자리의 어두운 영역을 피하고 도로 표면 조도의 균일성을 효과적으로 향상시킵니다. 2차 광학 매칭 과정에서 다음 사항에 유의해야 합니다.

• 균일한 조명이 필요한 도로(예: 도시 간선 도로)의 경우, 도로 중앙과 가장자리의 조도 차이가 합리적인 범위 내에 있도록 "배트윙" 광 분포를 생성할 수 있는 렌즈 또는 반사경을 선택합니다.
• 특수 도로 구간(예: 도로 교차로 및 램프)의 경우, 비대칭 광 분포 설계를 채택하여 빛을 핵심 영역(예: 교차로 중앙)에 집중시키고 빛 낭비를 방지합니다.
• 전문 광학 시뮬레이션 소프트웨어(예: DIALux, ASAP)를 사용하여 광 분포 효과를 미리 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 결과에 따라 렌즈 및 반사경의 매개변수를 조정하고, 광 분포 곡선이 설계 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.

2차 광학 매칭은 LED 광원(발광 각도, 광속, 색온도 등)의 특성과 밀접하게 결합되어야 하며, 광원과 광학 부품 간의 불일치로 인해 광 이용 효율이 감소하고 조명 효과가 저하되는 것을 방지해야 합니다.

• 발광 각도가 큰 LED(120°-140°)의 경우, 산란광을 수집하고 광 이용 효율을 향상시키기 위해 TIR 렌즈 또는 자유형 표면 렌즈를 선택해야 합니다. 발광 각도가 작은 LED의 경우, 반사경을 사용하여 조사 범위를 확장할 수 있습니다.
• LED 가로등의 색온도는 일반적으로 3000K-5000K입니다. 주거 지역 및 보도의 경우, 눈부심을 줄이고 시각적 편안함을 향상시키기 위해 온백색광(3000K-4000K)을 권장합니다. 도시 간선 도로 및 고속도로의 경우, 도로 표지판 및 장애물의 인식을 향상시키기 위해 중성 백색광(4000K-5000K)을 권장합니다.
• 다중 칩 LED 가로등의 경우, 각 칩의 독립적인 빛 제어를 실현하고 칩 간의 상호 간섭으로 인한 불균일한 광 분포를 방지하며 전체 조명 균일성을 보장하기 위해 어레이 렌즈를 선택해야 합니다.

실제 2차 광학 매칭 과정에서 많은 엔지니어링 및 설계 인력이 몇 가지 실수를 범하게 되며, 이는 LED 가로등의 조명 효과 및 수명에 영향을 미칩니다. 일반적인 실수 및 방지 방법은 다음과 같습니다.

• 작은 빔 각도 맹목적으로 추구: 일부 사람들은 빔 각도가 작을수록 조사 거리를 향상시킬 수 있다고 생각하지만 균일성을 무시합니다. 넓은 도로의 경우, 빔 각도가 너무 작으면 조사 범위가 좁아지고 인접한 가로등 사이에 어두운 영역이 생깁니다. 좁은 도로의 경우, 빔 각도가 너무 크면 빛 낭비 및 눈부심이 발생합니다. 빔 각도는 도로 폭 및 전주 높이에 따라 선택해야 하며, 일반적으로 60°-120°입니다.
• 렌즈와 반사경의 조합 무시: 단일 렌즈 또는 반사경만 사용하면 제한이 있습니다. 예를 들어, 단일 렌즈는 장거리 조사 능력이 부족하고, 단일 반사경은 균일성이 부족합니다. 두 가지를 결합하면 서로 보완하여 조사 거리와 균일성의 균형을 이룰 수 있습니다.
• 눈부심 제어 무시: 조도에만 집중하고 눈부심 제어를 무시하면 운전자와 보행자의 시각적 편안함에 영향을 미칩니다. 매칭 과정에서 적절한 차단 유형을 선택하고 광학 부품의 표면을 처리(예: 무광 처리)하여 눈부심을 줄여야 합니다.
• 환경 요인의 영향 무시: 도로 표면 반사율, 주변 건물 및 기타 요인을 고려하지 않으면 실제 조명 효과가 설계와 일치하지 않게 됩니다. 예를 들어, 밝은 색상의 도로 표면(반사율 0.3-0.4)의 빛 반사 효과가 어두운 색상의 도로 표면보다 좋으며, 도로 표면 색상에 따라 광 분포 매개변수를 적절하게 조정할 수 있습니다.

LED 가로등의 2차 광학 매칭은 일회성 작업이 아닙니다. 매칭 효과가 오랫동안 안정적으로 유지되도록 설치 후 디버깅 및 정기적인 유지 관리가 필요합니다.

• 현장 디버깅: 가로등 설치 후 전문 조도계를 사용하여 도로 표면 조도 및 균일성을 감지하고, 감지 결과에 따라 가로등의 설치 각도 및 광학 부품의 매개변수를 조정하고, 조명 효과가 설계 요구 사항을 충족하는지 확인합니다. 예를 들어, 보도의 조도 균일성을 향상시키기 위해 캔틸레버 길이(0.5-1.5미터)를 조정하고, 어두운 영역을 피하기 위해 전주 간격(일반적으로 설치 높이의 3-4배)을 조정합니다.
• 정기적인 청소: 렌즈 및 반사경의 표면에는 시간이 지남에 따라 먼지, 오물 및 기타 불순물이 축적되어 투과율 및 반사 효율이 감소하고 매칭 효과에 영향을 미칩니다. 표면 청결을 보장하기 위해 광학 부품을 정기적으로(3-6개월마다) 청소하는 것이 좋습니다.
• 정기적인 검사: 광학 부품의 손상, 변형, 노화 및 기타 현상을 정기적으로 검사합니다. 문제가 발견되면 즉시 교체하여 전체 조명 효과에 영향을 미치지 않도록 합니다. 동시에, LED 광원의 광 감쇠를 확인하고(광 감쇠가 30% 이상인 경우 교체) 광원과 광학 부품 간의 매칭 안정성을 보장합니다.

LED 가로등의 2차 광학 매칭은 광학 설계, 부품 선택, 장면 적응 및 사후 유지 관리를 통합하는 체계적인 프로젝트입니다. 핵심은 도로 조명 요구 사항을 지침으로 삼아 적절한 광학 부품을 선택하고, 과학적인 광 분포 계획을 공식화하며, 높은 조명 품질, 높은 에너지 이용 효율 및 낮은 눈부심 사이의 균형을 실현하는 것입니다. LED 기술 및 광학 설계 기술이 지속적으로 발전함에 따라 LED 가로등의 2차 광학 매칭 기술은 더욱 성숙하고 지능적으로 발전할 것이며, 예를 들어 실시간 교통 상황에 따라 광 분포를 자동으로 조정할 수 있는 적응형 광학 시스템이 있습니다.

Google 웹사이트 편집자, 엔지니어 및 관련 실무자에게 위의 2차 광학 매칭 기술을 숙달하면 LED 가로등의 조명 품질을 개선하고, 에너지 소비 및 유지 관리 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, LED 조명 산업의 건전한 발전을 촉진하고 에너지 절약 및 환경 친화적인 도시 건설에 기여할 수 있습니다. 앞으로 우리는 광학 부품 및 설계 방법의 혁신에 지속적으로 주의를 기울이고, 점점 더 다양해지는 도로 조명 요구 사항을 충족하기 위해 2차 광학 매칭 계획을 지속적으로 최적화해야 합니다.