了解用於確定LED光學元件及關鍵參數

了解用於確定LED光學元件及關鍵參數

佚名 發表於 2018-07-25 09:37:19

根據聯合國 en.lighten initiative（啟明倡議組織）的計算結果，如果現有照明改為採用節能型 LED 燈，則每年的 CO2 排放量將減少 6 億噸。 如果這一數據還不足以令人振奮，我們再看一下 LED 燈本身，它比傳統白熾燈使用壽命長，既支持新設計理念、富有想像力的照明效果，又節省空間。 光學系統通常由透鏡或反光鏡組成，其設計會對一種燈具在這些方面成功與否產生關鍵性影響。

透鏡和反光鏡

儘管 LED 在每瓦流明值方面遠比白熾燈高效，但發射器僅能承受小功率。 所以，必須小心控制 LED 流明，使其達到預定目標。 光學部件是整體系統的一個重要組成部分。 任何 LED 照明系統都需要透鏡或反光鏡，這些部件有助於儘量利用的 LED 流明。

典型的反光鏡採用聚碳酸酯板模製而成，表面帶有金屬化反射塗層。 雖然透鏡可確保出色的光束控制，這種金屬表面可達到高反射率。 透鏡常用於採用小光源和 1 至 4 個 LED 晶片的典型系統。 在需要過大或過昂貴透鏡的應用中，如採用大型光源的應用，或者如果光源在通用螢光層上包含多個晶片時，諸如 LEDiL Lena 系列 之類反光鏡就具有許多優勢。

就透鏡而言，目前市場上的產品形狀各異、各具特色。 需要在較長使用壽命內實現出色的光輸出時，通常可依賴採用高質量光學設計和材料的產品。 長期性能可能在某些應用中極為重要，尤其是路燈或者依靠 LED 降低替換成本的汽車照明等應用。 像光學級聚碳酸酯或丙烯酸之類高質量材料在剛使用時具有很高效率，而且能夠很好地防止因老化而導致性能降低，且能抵禦熱、冷、陽光直射或潮溼等環境的威脅。

配光

沒有任何單一標準能全面描述一個給定鏡頭的光學性能。 在為一個給定的應用確定最佳透鏡時，照明設計人員需要了解多個參數及它們之間的關係。 光學效率用于衡量鏡頭的光通量發射能力，採用高品質光學級材料鏡頭的效率可超過 90%。 但對於透鏡發出的光是如何定向的，這個數字沒有反映出任何信息。 可用其它參數來更全面地描述透鏡性能，其中包括半高寬 (FWHM) 角和燭光每流明 (cd/lm) 值。 設計人員利用這些數據能夠更好地評估在光強度和分布方面能到達的照明效果。

對於一個在配光中心具有最大強度的對稱透鏡，FWHM 就是指光照強度為中心最大值 50% 時的角度。 這為光束的狹窄度提供了一個指標。 為將不確定情況降至最低，供應商可能會公布光強度為最大值 10% 時的角度。 該信息有助於設計人員評估主光束以外雜散光數量。 10% 和 FWHM 角之間的差異小，表示一盞燈可以產生狹窄、集中的光束。

與 FWHM 和 10% 角度信息一起，cd/lm 數值可用於測量光束中心的峰值強度。 同時利用這三個參數可定義一條非常類似傳統「鐘形」曲線的配光曲線，該曲線可描述光束的強度和寬度，以及明暗截止線的尖銳度，如圖 1 所示。

圖 1：點聚焦透鏡的配光曲線，具有緊窄明暗截止線：10% 角和 FWHM 非常接近。

配光數據在光度文件中以數字方式提供，除了傳統的單個透鏡規格書外，還可下載光度文件。 這些文件採用 IES 或 EULUMDAT 編輯格式，且這些類型的文件可在線免費瀏覽。 圖 2 以 IESviewer 為例。這是一種繪製工具，可用於繪製透鏡發射光的傳播和強度圖形。 LEDiL 生成光度數據，說明其每個透鏡如何與領先製造商的 LED 協同工作。 這些數據一般利用實驗室測量值編輯而成，或通過仿真方式生成。

圖 2：光度文件為詳細評估透鏡性能提供了足夠的信息（圖片來源：photometricviewer.com）。

通過使用高效光學材料和最優設計原則製造的透鏡，可以高效發射緊密控制型光束產生的流明。 圖 3 所示為全內反射 (TIR) 透鏡的作用機理，這種透鏡是 LEDiL 等主要透鏡供應商的標準產品系列中的常用類型。 透鏡作為一種基本準直器，收集由 LED 晶片發出且以大量不同入射角進入的光線，然後產生一束單向集中光線。 典型的 TIR 透鏡類似圓錐體透鏡，且通常採用旋轉對稱形式。 這些透鏡也可以是單透鏡或者以陣列形式製造，用於配合使用多芯 LED 光源，而且這些透鏡可以加入內置功能，以便固定到 LED 或電路板上。

圖 3：TIR 透鏡在對稱射燈應用中實現了高性能

TIR 透鏡的準直特性可用於生產純粹的射燈，這種射燈可向嚴格定義的區域照射高強光。 然而，設計人員可能希望在不同的應用和環境中產生多變的照明效果。 高強度或散射照明的更平滑分布可能會令人滿意，而其它照明效果會包括如橢圓形等非對稱光束或者一個極寬的光束角。 為達到這類效果，可採用許多方法來調節透鏡特性，包括車削透鏡上表面。

LEDiL 的標準系列 TIR 透鏡 為設計人員帶來了各種選擇，包括平滑、散射、中等寬度和寬視角版本，以及能進行橢圓形照射的透鏡。 實現這些效果的方法是在透鏡上表面形成一個類似於昆蟲複眼外觀的「枕頭」形表面，或者一個漫射圖案。 這些表面的尺寸和斜度經過調節後可用於修改準直型平面透鏡的 cd/lm 峰值、FWHM 和 10% 角。 橢圓配光方式則可通過平行凹槽實現。

此處值得注意的是，簡單圖案易於實現較高光學效率，可超過 90%。 另一方面，通過車削準直透鏡上表面的方法來產生複雜的光束圖形，會顯著降低光效率。 然而，從一開始就設計用於產生複雜光束圖形，且不依賴車削準直器的透鏡，就能克服這些限制，實現 90% 以上的光效率。 例如 LEDiL Stella-A 非對稱系列產品，該系列用於 Bridgelux、Citizen、Cree 或 Philips 等製造商的單 LED，且根據不同的 LED 類型，可實現 87-93% 的效率。

透鏡尺寸和定位

確保透鏡相對於 LED 具有一個最優尺寸，也是實現高性能的一個重要方面。 一般來講，較大透鏡的優勢是準確性更高，因此可用於確保更高的性能。 不過，這一般會增加燈具成本，而且為了適應較大透鏡可能使小尺寸優勢不復存在。小尺寸通常是吸引設計人員設計 LED 照明的一個關鍵因素。

之所以一些部件的尺寸已成為設計人員的重點考慮對象，是因為效率、光束控制和合理的價格、緊湊的尺寸之間有著非常緊密的聯繫。 例如，21.6 mm 圓形透鏡與 Luxeon Rebel、Cree XP、OSRAM Dragon 或 Golden Dragon 以及 Nichia N119 器件等小型 LED 光源組合使用已非常普遍。 21.6 mm 被視為適合這些 LED 產品的最優尺寸，儘管如 16 mm 等較小的尺寸也可使用，而且保持超過 90% 的效率。 但是，透鏡尺寸相對光源減小時，放置準確性、透鏡捕獲可用光線的總體性能將減弱。 光強度用 cd/lm 表示，當透鏡尺寸減小時也容易下降，並且透鏡尺寸小至 10 mm 時效率可能降至 80-85%。 另一方面，使用尺寸明顯大於 21.6 mm 的透鏡時性能提升卻不會明顯。 尺寸在 26 mm 至 30 mm 之間或更大尺寸的透鏡通常僅用於特殊應用，這些應用需要一種要求總 FWHM 在 3-4 度之內的極窄配光，或者在這些應用中由多個光學元件形成複雜的配光。

為達到最佳效率，最理想的情況是需要透鏡捕獲 LED 發出的所有光線。 除了確保透鏡尺寸適中外，透鏡與發射器晶片的相對位置也至關重要。

目前有多種透鏡正確定位方法。 Larisa-W-PIN 透鏡專用於配合 Cree XQ-E 器件使用，OSRAM Oslon SSL 80 LED 在其方形本體下方帶有模製定位針。 其它款式如 Lisa2-W-CLIP 寬視角或 Lisa2-RS-CLIP 真點狀透鏡，該透鏡具有彈簧扣，用於將其固定到安裝有 LED 的電路板上。 彈簧扣在生產環境下使用快速簡單，且如果 PCB 尺寸能夠控制在緊公差範圍內，則彈簧扣固定高效、準確。

其它的透鏡固定方法包括液態粘合劑或者汽車級膠帶，這些方法粘合強度高，可隨意定位透鏡，而無需依賴任何預先加工好的功能，如用於彈簧扣的安裝孔。 用於多 LED 的透鏡可採用螺釘安裝，如 Stradella 透鏡陣列 等產品，或者通過銷釘等其它方式安裝，如採用 Cute 系列 3 透鏡陣列時。 象 Cute 系列多透鏡產品有助於降低如圖 4 所示大型 LED 陣列的光學系統成本。

圖 4：多透鏡有助於減少元件數量，簡化裝配。

結論

為實現 LED 照明，必須儘可能利用 LED 發出的光，以發揮其最大潛能。 固然光學系統的設計極為重要，但始終必須在光強、光傳播以及透鏡成本、尺寸和易裝配方面進行折中。 通過了解用於確定光學元件及其相關性的關鍵參數，設計人員應能評估各種可能的選項，並作出最滿足設計要求的選擇。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴