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光学设计如何“驯服”光源?

2015-10-13 15:14:03      点击:

试过被直射的阳光亮瞎眼睛吗?这就是最原始的“眩光”来源,但很多建筑会把阳光“驯服”,让它变得舒适可人,像因为光学设计举世闻名的金贝尔博物馆:

  图:美术馆内部,悬挂在天花顶部“人”字型的反射器,把日光引进室内,均匀反射到两侧弧形的清水混凝土面上。

  同样,如果LED的光源,没有经过光学设计的“驯服”,就会凶猛地外散,像这样发飙:

  但如果经过了光学设计,驯服之后,光线就变得可以灵巧万分,各种为我们所用:

  经过光学设计“驯服”之后,光能幻变出各种符合我们使用需求的形状和效果。

  所以,如果说LED光是子弹,那光学设计就是你需要的那把枪——让LED指哪打哪,无所不能。

  有时二次光学和多次光学最终决定灯和灯具的光学性能,LED提供的是一个相对比较宽角度的光束(备注:一般封装芯片角度为115°或120°)需要通过控光达到特定应用的需求。比如定向射灯需要的是超窄角度光束,而路灯则需要的是覆盖一个宽区域也许是矩形的光斑照明效果。要了解更多的光学应用方案,请关注最近的光学发展趋势。事实上,光学透镜和反光杯是可以单独或者组合的一起应用到先进的光源和灯具设计的,此外光学器件的设计也是必须保持与LED芯片的发展与时俱进的,比如现在的COB芯片发光面(LES)越来越小,光效越来越高等,下面让我们回顾下光学公司最新发布的产品,尤其是COB的配套光学。

 

来自Fraen的组合嵌入式TIR透镜

  由于灯具应用的需求,大尺寸发光面LES高功率的COB逐步面世上市以满足灯具应用的需求。但是正如我们一直以来的专题讨论中得到出结论一样,业界一直依赖应用并能提供精准的配光的全内透(TIR)技术,更适用于小发光面LES的COB芯片,比如室外区域照明和工矿灯照明应用。为了改变这种情况,Frean转向研究组合TIR透镜,两个配对TIR透镜中间是有空袭非密封,这样做的目的主要是利用比反光杯更矮的高度,达到并保持良好的配光效果。

  Ps译者tips:针对大尺寸发光面的LED,这种组合透镜将会一种发展方向之一。透镜可以比同角度的反光杯更矮并提供更更高的cd/lm,但是目前市面上的单个TIR全内透透镜在控光和光色效果是都有问题。(这就犹如传统照明年代大于250W金卤灯用电子镇流器并不比电感镇流器节能,更不比电感镇流器稳定一样的发展趋势)

  来自AuerLighting的LED木星反光杯

  在光源或者灯具设计的时候,特别是定向照明情况下,通常会需要使用到透镜和反光杯。通常情况下,两者是独立使用的,但是Auerlighting开发了混合透镜和反光杯的光学器件,比如说定向照明时匹配CREE公司的9mm发光面芯片CXA1512芯片可以获得7.5度高达28000cd(CBCP)。

  来自Khatod的Kristall COB全内透TIR透镜

  Khatod也许是有着最广泛的与COB配套的透镜,其中包括Kristall系列TIR透镜,此款透镜与PhilipsLumileds、CREE、CITIZEN、SEOUL、Osram、Bridgelux等公司的COB芯片匹配。透镜主要使用材料有两种分别是PMMA和PC,至于采用何种材料取决光学性能的需求和匹配的LED芯片。通常都是针对特定LED开展系列开发,有窄中宽光三个角度,窄角度是基准的TIR技术,中角度和宽角度会在此基础上加上二次漫反射扩散技术,光学透镜效率大概85%,设计满足ZHAGA标准规范。

 

Jenny硅胶COB透镜—来自LEDiL

  Jenny系列透镜专门为中小尺寸COB设计,提供超级灵活的设计模式,透镜开发为1×8的阵列组合,可以掰断为单一模块使用也可以自由组合模块,阵列设计了灵活切槽,单一透镜尺寸35×35毫米,第一款产品为对称圆形配光,未来将有更多的角度增加到这个透镜家族。其实这款产品最主要是使用光硅材料制造,光学效率高达94%。自带密封防水防尘保护等级,压槽固定安装方便。

  来自Carclo Optics中功率阵列透镜

  从COB到小功率芯片,我们发现中功率芯片有越来越多的应用,特别是在线性灯具。虽然相比大功率LED,中功率LED输出光通量相对较少,不过性价比摆在那里,可以通过使用更多的LED数量满足灯具设计Carclo设计的这款中功率LED光学模组为84颗TIR设计,匹配5630(5.6×3.0毫米)标准LED。一般来说中功率LED模组比较少针对户外应用,不过Carclo这一款模组是针对路灯和区域照明应用,通常来说,由于室内灯具需要的是整体照明宽光束,所以为了匹配LED芯片一般不会用单颗透镜去控制光型。

  译者补充:LEDIL也有一款针对于室内办公照明、工业照明和超市照明等应用的中功率LED透镜模组。

  来自Fraen的F3S路灯光学

  路灯和其他户外区域照明应用需要的是利用光学提供一个宽广光束,把光传输到指定的区域边界而有必须尽量减少光溢出,也就是需要减少光污染。

  例如路灯需求是要把光打成矩形光斑纵向沿着道路覆盖更广的路面,尽量少的光打到灯杆后面的区域。TIR透镜被普遍应用于路灯和区域照明,早期的LED灯具基本都是单颗的LED光学透镜,但是组合阵列的透镜模组相对比这种单颗透镜在生产制造中会更简单方便。

  针对这种情况,Fraen开发了F3S路灯光学模组其中包括一个2×6阵列模组,可以提供多个版本光型。尽管行业很多还在使用IES的传统路灯照明标准,不过这款透镜是满足北美T1/T2/T3光型标准,适配的LED芯片包括CreeXT-E,XP-E,XP-E2,XP-G,andXP-G2;PhilipsLumileds的LuxeonR,Rebel、RebelES;SeoulSemiconductor的Z5P和Z5M;Osram的OslonSSL150和OslonSquare。

 

 来自LEDIL的2×2非对称光学器件

  LEDIL开发了一个全新TIR光学产品是2×2阵列模组,每个LED独立但是组合在一起是产生一个非对称的光束,这个突破了IES限制的光束图形需求应用。这款STRADA--2×2产品是针对性应用开发,光型包括各种路灯和投光灯等需求,其中有一款是为人行横道的光学需求专门开发,包括兼顾行人安全照明也能减少司机感受到最少的眩光,非对称的光度分布意味着减少直射司机的光线,减少迎面回车的视觉压力,相反的是相反,一个灯杆安装的灯具必须将光投射光束到人行横道的中心点并沿纵向在交通流的方向,在LEDIL提供的案例应用里,斑马线路面照度为38-41lx,使用的是OSRAMOSLONSquare这类LED。

  PS:就译者所知,因为这个产品的开发推动,欧洲将人行横道照明标准。

  来自AuerLighting的Bern玻璃TIR透镜

  在光学器件主题讨论是材料是无法避免的话题,根据不同稳定性和光学性能的有着广泛的材料选择。Auerlighting认为,在LED应用中Suprax玻璃为基础的产品可靠性优于它的替代品比如PMMA和PC材料,特别是在恶劣环境下的应用。BernTIR透镜就是有这种suprax玻璃制造成的这种光学器件,透镜可以承受温度高达400℃而光学性能不会褪色或降解。这个镜头的光学效为85%,角度为12°,设计匹配的是5×5毫米封装的LED。

  来自Khatod的COB光硅透镜

  光硅在光学应用中越来越受欢迎,因为这种材料有着良好的耐高温和抗腐蚀的光学性能,做出来的透镜还可以满足密封防水防尘。Khatod声称他们是两年前第一家为封装LED提供光硅材料TIR透镜的公司,而这次他们提供的是为大发光面LED提供的光硅透镜,产品的目标方向是路灯和区域照明,满足IESTypeI,II,III,IV,andV光型标准。光硅透镜技术也是非常适合危险区域的,比如防撞和防爆灯具。

  来自LEDIL的WinnieTIRMR16透镜

  尽管光学材料有这种各样的选择,但是因为光学良好的性价比和较轻的质量,PMMA和PC仍然是最普遍的材料。LEDIL转向了针对定向射灯开发应用的PMMA材料的COBLED透镜,Winnie透镜既可以用在MR16类改造灯具也可以用在定向射灯,透镜尺为49.8mm高度为19.2mm,光学角度为20°起,效率87%,在厂家的一款原型灯具应用中4.8W的光通量为419lm。此外这款透镜还满足射灯ZHAGABOOK3规范标准。

  来自Khatod的Luna光学

  在多样化的SSL产品世界里,透镜和反射镜肯定不是唯一类型的光学在发挥作用。扩散片被经常用来隐藏LED点光源和提高更高的均匀度,扩散器也可涂层或处理以提供特定的特殊效果,而这也正是Khatod公司这款LUNA产品开始发挥作用。该扩散器LUNA基于光致发光技术和光学,在LED光源被关闭将继续在黑暗中长时间发光。当接通电源后,有Luna的灯看起来像一个典型的LED灯,但是当断电该款光学继续传递软扩散的绿色或蓝色的光。应用范围包括标志或信号照明,如台阶灯,并且该技术可以在室内或室外应用。

  来自Intematix公司的Chromalit线性光学

  二次光学器件还提供使用远程荧光粉技术来提高光效和长时间更好地保持颜色的一致性。由于相邻LED不会一个连续的荧光粉涂层,受到较小或者最小的热量,如果热量太多,效率和颜色会下降。使用这种技术的一个例子是,Intermatix在与SABIC(沙特基础工业公司)合作使用后者的LexanLUX热塑性材料开发的ChromaLit线性光学元件,设计能够提供每瓦/215流明,使用后有着高达163流明/瓦的系统效能。

  来自GLT灵活的光导

  光导技术,一种可以提高灯或者灯具设计且与众不同的光学技术,技术特点就是把LED放在边沿光可以通过光导技术把光引导到光导透镜表面。这次的光导技术案例来自全局照明技术(GLT),一款可以提供额外的灵活光设计的产品。通常来说此类光学器件定制开发项目,不过GLT表示他们可以提供这类光导长度长达24英寸(60.96cm)以上厚度从0.25-4毫米不等。公司的目标客户是汽车,消费电子产品,白色家电应用以及柔性光学器件,比较典型的特质,关灯的时候看起来光导是透明的,单开灯的时候看到的是均匀的漫反射光。