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浅析LED灯具黄边问题

2013-6-10 20:47:33      点击:


LED二次光学设计--浅析LED灯具黄边问题

我们很多生产灯具的朋友可能都深知这一现象给您留下的深刻印象。这里我们不再赘述这一现象给LED灯具产品带来的负面效应了。

一、LED的发光质量

在人类找到使半导体发光的方法时,无疑是对这一科学发现可能对人类的未来带来多大的冲击估计不足;早期,人们对LED的微弱光线能用在一些小的指示灯上就已经兴奋不已,但今天的LED已经大有取代传统照明的来头,可是一些冷静的人总在思考这样一个问题——LED灯具未来可不可能取代传统照明灯具?

我们带着这个问题来讨论,LED灯具取代传统灯具目前所固有的一个LED自身的缺陷——LED的发光质量。

早期的LED只能发出单色光,最常见的是红光、绿光和蓝光,很长一段时间人们都在寻找LED发白光的方法,后来科研人员选定了一种经济的方法——就是在LED芯片上涂覆某种配方的荧光材料使之发出复合光。

在这条道路上最成功的可谓是日本的Nakamura,他经过多年的苦心研究发明了被蓝光激发能发出黄光的荧光粉。这就是今天主流白光LED的发光方式。

但科技仿佛总是有作弄人的一面,仿佛总是不愿给人们一个完美的解决方案。因为蓝光激发能发出黄光的荧光粉发出的并不是“白光”,而只是蓝光和黄光,同时我们人眼分辨颜色的能力比较差,使得我们得到了感观上的“白光”(我们人眼的一种错觉)。

就是说今天主流的LED发出的“白光”只是蓝光和黄光的复合光,不是象太阳一样发出的绚烂夺目的阳光。而我们传统的光学理论中的白光是理想的阳光,当我们用对待阳光的理论来对待LED的“白光”时——黄边出现了。

二、LED芯片发出的白光

我们先看一下以下的一个LED产品的光谱图:

左边的一个小山峰是表示在450nm( 430nm-465nm)左右的位置的一个强度较高的发光区域,最高点在0.6以上,这是LED芯片本身发出的蓝光透过荧光粉出来的能量。

中间偏右的一个大的山峰是表示在465nm以上的最高光强度达1.0的发光区域,这表示光在透过荧光粉后大部分(80%以上)被转换出来的能量,高能量区集中在520nm660nm之间。

我们知道可见光波长范围:390nm-760 nm。其中:

红光:中心波长为660 nm;波长范围:760 nm -622 nm。 橙光:中心波长为610 nm;波长范围:622 nm -597 nm。 黄光:中心波长为570 nm;波长范围:597 nm -577 nm。 绿光:中心波长为550 nm;波长范围:577 nm -492 nm。 青光:中心波长为460 nm;波长范围:492 nm -450 nm。 蓝光:中心波长为440 nm;波长范围:450 nm -435 nm。 紫光:中心波长为410 nm;波长范围:435 nm -390 nm

我们可以看出上图中的后一个山峰主要是黄橙色的光,这就是LED光源所产生的色温在3000-3500K左右的光谱图。这个光谱图表示LED发出的白光主要是由20%左右的430nm-465nm蓝光和80%左右的465nm以上的黄橙色的光组成的复合光。

三:为什么LED灯具发出的白光会有一个黄边?它能被消除吗?

三、为什么LED灯具发出的白光会有一个黄边?

首先我们都知道几乎所有的LED灯具都配有一个光学收集器,有的是一个反射杯,有的是一个或一组透镜,在我们看来当LED芯片没有加反光杯或透镜时是光斑是没有黄边的,为什么会在加了反射杯或透镜后就会产生黄边呢?

事实上,加反光杯后的灯具和加透镜后的灯具产生黄边的原因(机理)是完全不同的。

1LED灯具加反光杯后产生黄边的原因:

首先我们要在这里分析一下什么光在反射杯的反射面容易被反射,什么光在反射杯的反射面不容易被反射。

"穿透"是一种光的衍射现象,就是光可以透过物质原子间的小缝隙穿过去,因为所有的光在相同的均匀介质中传播速度几乎是一样的,光的波长越小,频率就越高,就越容易"穿透"。这也是为什么高原地带的人比我们要黑的原因。

这时我们就会发现LED所发出的蓝光因波长短频率高会比黄光更容易"穿透"。当反射杯的镀膜层在设计上和加工上不能满足对蓝光较好的反射作用时,蓝光就很容易在反射杯的反射面"穿透"从而损失了。

本来LED发出的白光中蓝光的比例就很少,又在反射杯的反射面上损失了一些,所以带反射杯的LED灯具所发出的光蓝光就更少了,相对而言黄光就更加明显了。

这就是带反射杯的LED灯具产生黄边的其中一个重要的原因,当然还有其它的原因;诸如光斑中间部分的色温高于边缘部份,使得边缘看起来更黄等等。

2LED灯具加透镜后产生黄边的原因:

原因有两个方面:

原因一是塑料透镜,现在大多数LED灯具都是使用的塑料透镜,我们知道塑料对短波长高频率的光的吸收比长波长低频率的光要强很多,这种对短波长光的吸收使得相当一部份蓝光被塑料透镜吸收了,这也是塑料透镜用一段时间就会发黄的原因。

原因二是短波长的光在透过介质发生折射时的折射率比长波长的光的折射率要高很多,就是说短波长的光折射时会折射的多一些。通常这一现象在灯具上的表现就是蓝光被更多地投射到了光斑的中间,而黄光更多地被折射到了光斑的边缘。

以上就是加透镜的LED灯具产生黄边的两大原因。

四、LED灯具的黄边能消除吗?

前面我们花了一些篇幅说明LED灯具黄边产生的一些主要原因,现在我们将就以下几种LED灯具的光学结构进行讨论:

第一类:反光杯

由镜子反光的光学原理组成的光路,LED所发出的光在到达反射镜后被反射到要照亮的空间。传统的光学理论中圆锥曲线在光学中的应用是最为经典的表现。主要分为以下三种典型结构:

1:椭球面反射杯:

当一个点光源处于椭球面的其中一个焦点上时,光源所发出的光会经椭球体的反射镜面反射到椭球体的另一个焦点上,形成一个光学中我们叫做腰束的光线收集方式,传统光学中我们经常用来做成像光学系统的光源设计,如我们常见的投影机光源就是用椭球面的光学原理设计成的反射杯。

2:抛物面反射杯:

当一个点光源处于抛物面的焦点上时,光源所发出的光会经抛物面的反射镜面反射面发出平行光,这是一种椭球面反射杯的特例,就是说抛物面是两个焦点相距无穷远的椭球面的一个特例,传统光学中我们经常用来做探照灯和手电筒光学系统的光源设计。

3:双曲面反射杯:

双曲面都是成双成对出现的,当一个点光源处于与它成对的双曲面的焦点上时,光源所发出的光会经双曲面的反射镜面反射后,光线的反向延长线会汇聚到这个双曲面的焦点上,就是说双曲面反射的光是向外发散的,它的焦点是在双曲面的后方,传统光学中我们经常用来做有一定出光角度的射灯的光学系统的光源设计。

以上三类也是我们目前市场上主流的LED灯具光源所用的光学结构。

反光杯的光学结构最大的缺点是它有一个开口,光源装在反光杯内部时只有一部份光是通过反光杯的反射面反射出去的,相当一部份光没有通过反射面而直接照射出去,这一部份光中的相当一部份可能投射到我们设计要求的投射区以外而产生光污染,为了让更多的光通过反射镜面反射出去从而使设计的光效率更高,相对于我们以下要讨论的传统透镜形光源结构和全反射杯形光源结构,反光杯式的光源结构不得不将反射杯的外形尺寸做的比较大,(比传统透镜形光源结构和全反射杯形光源结构要大很多)。同时也浪费了电能。

笔者在【传统光学的功与过】一文的相关内容中做过一些讨论和分析。

第二类:传统透镜

传统透镜也常常在LED灯具的光源设计中用到,它主要是利用光在不同介质中的折射原理设计不同曲面的透镜从而达到我们想要的光学效果。同时还常被应用在高端产品中。我们现在常见的LED投影机和一些LED医疗内窥镜、紫光固化光源、机器视觉用准直光源等等。

传统透镜用在LED灯具中的一个主要缺点是结构相对复杂、造价比较高,同时因目前更加追求准直度(小角度出光)而大面积采用非球面透镜更进一步推高了透镜形LED光源结构的成本。

塑料光学器件的产生给我们打开了另一扇窗,PMMAPCPS等透明塑料被用作光学材料已有几十年的历史,无形中为一些特殊形状的光学器件的成型和一些廉价产品的光学需求提供了一个有利的途径,如一些特殊形状的非球面透镜以及我们下面要讨论的全反射杯的LED透镜以及目前的一些低端产品如我们日常用的手电筒也不乏有用塑料透镜设计的LED光源系统的情况。

第三类:全反射杯透镜

全反射杯透镜可谓是LED光学系统的一个伟大的发明,传统光学理论中的折射理论告诉我们;当光线从光密介质到达光疏介质时,因折射率不同的原因,当光线和出射面的夹角达到一定的临界值时光线就折射不出去了,从而会在光密介质中产生反射,这一现象我们在光学中叫做全反射,利用这一原理,我们首先让光线从适当的角度进入到透镜中,再在透镜的适当位置设计一个倾斜角较大的曲面,使进来的光线不能通过这个面折射出去,从面全反射到其它位置再投射出去,从而控制光线的出光方向。这就是全反射杯透镜的工作原理。

很多人常常理解不了,为什么看起来这个倾斜角较大的曲面也是透明的,为什么光就不从这里出来。这里我们有一个不恰当的比喻:石头一般砸在水面都会沉到水底,而当我们用很小角度将石头砸向水面时,它会反弹出水面。

全反射杯透镜的最大缺点是形状较为复杂,成型难度大,目前主流的全反射杯透镜都是塑料模具成型的,因为材料是塑料,就导致耐温、耐侯性能的缺陷。所以目前这种透镜主要应用在小功率产品和对产品使用寿命要求不长的产品中。