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离开光学设计讲高效都是耍流氓

高工
2014-11-03 23:40:19    评分

如果搭配正确的透镜和反射器,固态照明能够提供无与伦比的性能。



图:典型的LED封装


lens (primary optic):透镜(初级光学系统)

chip (or die):芯片(或晶粒)

bonding substrate:结合基板

heat sink:散热器

outer package:外部封装


为固态照明系统SSL设计透镜和反射器所要求的可不仅仅是将其按传统光源等比例缩小。没错,LED比其传统对应光源拥有更小的尺寸,但是在如何发光上它们并不相同。白炽灯在360度的范围内照明出光,可是LED是有方向性的,只照明180度的范围。这是由LED的封装设计所造成的,它通常包括:一颗或多颗半导体芯片或晶粒,供其安装在上面的热传导材料;一套将晶粒密闭封装的初级光学系统——一块透镜或者胶囊状封装材料;以及一些调节热量和功率的其他部件。通电之后,芯片就通过场致发光原理来产生光。


传统光源通过热辐射或荧光效应来发光。通过玻璃、金属、或丙烯酸塑料材质的反射器反射光源发出的光并重新分配,再与透镜和诸如格栅、遮光板之类的光学配件一起作用,进一步塑造配光形状。


尽管来自LED的光输出更加集中,但是其光分布对于大多数应用来说依然太宽,而且远距离的光强度不够。因此,LED光源和灯具通常整合了一套或多套次级光学系统,它们可以由透镜、反射器、全反射(TIR)光学系统(一块透镜或反射器)和漫射器组成,用来收集光线,增强其强度,将其导向目标表面,之后再混合来提升光束和光色的一致性。


选择合适的光学系统依赖于具体应用。Soraa的LED产品副总裁Frank Shum说,反射器和全反射光学系统在LED MR16灯杯和定向性照明中较为普遍,两者各有优劣势。


反射器


反射器比全反射光学系统的实现更加简单,生产也更加便宜。它们在光校准——使光线平行传播——这方面能有多好,某种程度上取决于其形状。将反射表面处理为多个小反射面或分割面,能够改进光束的均匀性,这可以用不同的材质或表面处理来实现。如果必要,还可以使用透镜进一步发散光线。


但是反射器并不能解决一切问题。例如,从一颗LED发出的光能从抛物线形反射器中逃离出来,变成溢散光,或者更惨,变成眩光。此外,许多反射器是铝蒸汽镀膜,这是一种能够导致短路的导体材料。生产商们能用一层绝缘材料来隔离反射器和LED电路板,但是,LED封装离反射器越远,反射器就越无法实现其“尽可能多的俘获光并将其变向”的功能,3M产品发展专员Catherine Leatherdale这么说道。


新型镜面反射薄膜,诸如3M最近出的D50系列,正在弥合那个缺口。这些薄膜由聚合材料制成,可以应用于塑料基板之上,具有绝缘功能和高反射性,而且在某些情况下,光学性能比铝更好。作为选择,一片镜面反射聚合材料可以开模制作装进反射器中来精准控光,提升表面反射率,并且位置靠近LED,因而能控制更多的光线。





关键词: 高效     耍流氓     反射器     高效     设计     离开    

高工
2014-11-03 23:43:08    评分
2楼

图:镜面反射薄膜,诸如3M最近出的D50系列,具有绝缘性和高反射性,而且光学性能可能比铝更好。


全反射光学系统


光从一种介质穿行到另一种光学密度更小的介质,当以某种角度击中其界面时,就会100%的反射,根据这种原理设计的全反射光学系统(全反射透镜)由一组折射透镜组成,安装在反射器里,通常为锥形,光学效率高达92%。透镜把光从光源中心导向反射器,反射器则负责控光和发射光线。通过这种安装在LED封装上的光学附件,就多了一次改变配光的机会。



图:全反射(TIR)透镜和传统反射器


全反射光学系统,由一组折射透镜组成,安装在反射器内,它比传统的光学系统,诸如抛物线形反射器,能俘获更多来自LED的光并将其重新输送。


全反射光学系统通常由聚合物注模成型,以各种各样的表面处理,如波浪型、枕状或者抛光打磨,来塑造精准的光束形状并传播光线,将光束发散变宽,或者重新配光。然而,注模成型限制了透镜的尺寸与壁厚,通常到0.5英寸。光学系统越大,其收缩变形的风险就越高。Shum说,在机器上保持更长时间的高温和压力能够减少相关风险,但是要付出一定的成本。


全反射光学系统利用了LED的独特特性。LED不像白炽灯那样向外辐射热量,而是向底座散发热量,这使得全反射光学系统可以紧密地罩在它们的半球形顶部上。Hubbell照明的照明解决方案中心主任Chirs Bailey说,其结果就是,“LED为设计师提供了把直接从光源利用光线,并将其精准引导直达关键的垂直和水平面的机会。


尽管在室外和工业照明里更为普遍,全反射光学系统在室内应用中也正在取得进展。Bailey说道,全反射光学系统对于光束控制来说是理想的,但并非在所有应用中都有必要。例如,在需要漫射照明、低眩光和亮度梯度分布的嵌入式建筑照明中,耦合聚光就没有必要了。




高工
2014-11-03 23:45:23    评分
3楼

尺寸问题


Shun说,一颗LED或LED封装与光学系统的尺寸比率决定了光束角。这就是说,更窄的光束要求更小的光源或者更大的光学系统。选择前者,就会影响光输出,而选择后者,如果光源小的话,则会对注模成型或系统设计造成压力,比如MR16灯杯产品,正是这种情况。


但是,受更高光通量和便利性需求的驱使,光源的尺寸正在日趋增大。LED生产商们为了把灯具设计师们吸引到他们的产品上来,已经推出了模块化、高输出、集成封装(COB)的LED阵列。它们正变得更加普遍,能够以6W到200W的功率输出600到20,000流明的光通量,Bailey这么说道。COB LED光源包含了多组晶粒,它们被集成到一块电路板上,装配在拥有单个出光面的陶瓷封装上。并且可以被设计出特定色温和特定光通量,从而打消了人们关于能否创造整合良好的LED的疑虑。


但是控制从COB LED发出的光更加困难。它们的尺寸增加了注模成合适的光学系统的成本,其平坦的表面并不太适用于耦合聚光,而这恰恰是全反射光学系统效率的关键。因此,COB在光束控制没那么严格的应用里,比如宽配光泛光照明或下照照明里,能存活得更好,Bailey这么说道。而且,其光学和电气要求更加简单。他说,通常情况下,一套光学系统就足够了,而且“电气连接可以使用简单的即插即用实现”。


高光通密度(HFD)LED也越来越受欢迎。它们也包含多组晶粒,但是每颗都比COB阵列中的那些更小,且能在更高的电流下运行,Bailey说。结果是能从更小的发光面输出更多的光。晶粒在半球形表面里面,很简单地容纳在一个全反射光学系统中,从而提供了更多的输出控制。这些高功率LED可以从4W到60W,输出光通从400到6,000流明,Bailey说。


新选择



图:Soraa的折叠式光学系统把从一个点光源,比如一颗LED,发出的光分布到一个窄光束里。

尽管物理规律限制了小型LED光源拥有窄光束的可能性,但是进步正在发生。Soraa的点光源光学系统,以Shum设计的折叠式棱镜光学系统为特点,造就了10度光束角的LED MR16光源。折叠式光学系统把来自单颗LED封装所发出的光多次反射之后再传播出去,并且在光束中心轴附近加以混合——与在其外部边缘的情况相反——创造出一束平滑、边界清晰的光束。Shum说这种直径更大的光学系统之所以能进行注模成型是因为其直径和高度比率为6:1,典型的全反射光学系统的直径和高度比率比率只有1.25:1。Soraa折叠式光学系统允许和吸引使用者把各种各样的透镜和光学配件应用到MR16中去,设计或宽或窄的光束,并消除眩光。


同样为了应对光源尺寸问题,总部位于马萨诸塞州雷丁市的Fraen集团公司已经开发了一种多重全反射嵌套式透镜,可以配合任何COB LED产品的使用来创造窄光束。COB LED的封装越大,如果要控制其光线,通常会要求一套成比例的、更大的光学系统,但是紧凑的嵌套式透镜设计可以产生经过校准的光束而几乎无溢散光。更小的光学系统当然也就意味着更小的灯具。

移走热量


COB和HFD LED光源都增加了流明输出,这也意味着产生更多的热量。随着这些光源的普及,正确的热管理,和灯具电路设计一样,在确保二极管的性能与寿命上将会变得更加关键。事实上,由于热量的增加,今天的LED已经由硅胶替代环氧树脂来进行密封,后者用于当LED的光输出以微瓦来衡量时的早期LED时代。Narendran说,环氧树脂在超过80℃时就会退化,然而硅胶能够承受住高达200℃的温度。


尽管耦合聚光可以提高光学效率,可暴露在热量与光线——特别是来自于光谱的高能量的蓝光波段之下,会造成材料随着时间而老化。透镜和发射器会变黄,导致灯具之间的色漂和性能差异,Narendran说。一个在初装时均匀一致的照明设计可能会“开始产生不同的颜色,转而将会影响空间的美感,”他说。老化降低了光学系统输出光通的能力,光衰减也会发生。


并不意外的是,耐热材料正在获得LED光学系统和灯具制造者们的关注。全反射光学系统的材料选择之一是聚甲基丙烯酸甲酯PMMA,它因其透明度、耐紫外稳定性和高透射率而受到青睐,Hubbell照明的Bailey说。但是,长期的热暴露仍然可能会导致形变。


生产商们也已经转向玻璃,Narendran说,“因为它比聚合物更加稳定耐用,所以是个不错的候选。”它同样提供了高透射性能,但是对于生产制造来说,玻璃重、易碎且昂贵。


聚碳酸酯(简称PC)能够满足LED的特定需求,是光学系统材料的另一个强有力的竞争者。拜耳出品的Makrolon LED级材料可耐受长期热暴露、光传输高效,而且拥有良好的透明度。此外,一种漫射性添加物也可以添加到聚碳酸酯当中以减少眩光。


随着生产商们继续探索着LED带来的独特机会,对更高效能的推动将会引进新的耐热材料和更多定制化的光学解决方案。根据荷兰3D打印光学系统制造者Luxexcel的市场营销传播经理Marco deVisser的说法,后者已经开始了;3D打印技术正在加快推出光学系统的原型设计和打印。这样的发展将会进一步突出LED作为一种出光美观且易控的光源的重要性,而不仅仅是高效。



院士
2014-11-04 10:30:37    评分
4楼
谁想耍流氓?

院士
2014-11-06 23:50:28    评分
5楼
版主的帖子内容丰富,学习了,谢谢

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