星光依然燦爛 中大高光效LED路燈發表

2013年4月24日,華盛頓路燈點亮漆黑的夜晚,照耀在全世界的道路和人行道上,但是遍佈在都市中的這些路燈往往都是毫無效率地使用,致使大部份的光都恣意輻射至夜空形成光害。近年來,雖然發光二極體(Light emitting diode, LED)的發光效率不斷地被提升,進而改善路燈的能源效率,但是直到目前為止,光源照射至非目標範圍的問題仍未被解決。來自台灣和墨西哥的研究人員所組成的研發團隊發展出一套新的照明系統設計,利用高效能LED,確保光源只會照射到目標範圍,避免照射至附近住家和夜空中。此團隊在美國光學學會(Optical Society of America, OSA)的開放式期刊《光學快遞》(Optics Express)發表了他們的最新研究。

此一嶄新的LED系統獨到之處在於其對於不同路燈設計皆具有良好適應力。主要作者台灣中央大學孫慶成教授提到:「在各種街道巷弄和道路上皆能展現出一高能源效率且均勻照明的特色。」舉例來說,在一些重要幹道或郊區人行道上,路燈架設係在道路中間並從道路正上方照射路面。但較為普遍的路燈擺放方式則是集中於道路的同一側或是以Z字型方式在道路兩側交錯排列,此種排列方式對於在車流量較大的道路上使用更有效率。孫教授表示,此設計能彈性適應於不同的照明需求上,並同時維持極高的光學效率。

此路燈設計由三個照明機構所組合而成。第一部分係由一組LED所組成,每一顆LED上都裝載了一顆特殊的透鏡,此一特殊透鏡稱為全反射(Total Internal Reflection, TIR)透鏡,其能將原本發散的光線予一會聚以形成準直光束。這些裝載了TIR透鏡的LED將會放置在一反射腔體內部,此一反射腔體可用來將光線予以「循環」再利用,以確保大部份的光線能夠有機會被使用到,以用來照射至目標區域。最後,當光源發出的光線通過一擴散片(Diffuser)或濾光元件(Filter),其能減少非必要眩光。像這樣將準直(Collimation)與濾光(Filtering)效果予以結合,將可使得研究人員得以控制光形分布的形狀:研究人員表示,目前的設計已能產生一符合道路照明所需之矩形光形。

此團隊藉由分析當光源與道路或人行道相距之高度為10公尺或更遠距離時,究竟有多少光線會灑落在目標區域內,來測試這一設計的性能。他們以光學利用率(Optical utilization factor, OUF)來量化此燈具的性能,OUF係在描述目標區域內的光通量和LED發出的光通量之間的一個比例關係,OUF值越高則代表性能越好。模擬結果顯示這個新設計的OUF值介於51%到81%之間,明顯優於一款OUF具有45%且可堪稱目前市場上”極佳”設計的LED路燈。此外,所提出的路燈設計在電功率與亮度的表現上亦展現出具有相當高期望度的表現,而光害也被減至最低。以傳統街燈來說,有5分之1的總能量是屬於朝著水平於地面方向或向上輻射至天空,造成光害。若以目前市面上最佳的LED路燈來看,或許可降低至總能量的10分之1。而此一新的路燈設計,卻可僅有2%的總能量會造成上述光污染情形的發生。

除了減少光害和眩光之外,此一新設計還具有節能功效。孫教授指出:「一般LED街燈能減少40%到60%的電功率消耗,但是這項設計很可能還能夠額外再節省10%到50%。此外,由於此模組只由4部分組成,其中包含了目前在光電產業中被廣泛使用的LED,因此具有組裝容易之優勢。」

孫教授的研發團隊預計可在3到6個月內完成此設計的原型,並最快在明年將新路燈於道路上進行實際安裝。

文/光電系