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離開光學系統LED熱捧效能將不復存在

Date:2014-11-06 11:35:22

如果沒有高品質的光學系統與之相配,即使最高效的光源也會顯得毫無用處。例如,位于紐約州特洛伊市的照明研究中心(LRC)的研究主任Nadarajah Narendran說過,一只緊湊型熒光燈,如果搭配一套不合適的光學系統,就會損失高達70%的光輸出。同樣的,離開了正確的光學系統,LED那被熱捧的效能也將不復存在。 為固態照明系統SSL設計透鏡和反射器所要求的可不僅僅是將其按傳統光源等比例縮小。沒錯,LED比其傳統對應光源擁有更小的尺寸,但是在如何發光上它們并不相同。白熾燈在360度的范圍內照明出光,可是LED是有方向性的,只照明180度的范圍。這是由LED的封裝設計所造成的,它通常包括:一顆或多顆半導體芯片或晶粒,供其安裝在上面的熱傳導材料;一套將晶粒密閉封裝的初級光學系統——一塊透鏡或者膠囊狀封裝材料;以及一些調節熱量和功率的其他部件。通電之后,芯片就通過場致發光原理來產生光。   傳統光源通過熱輻射或熒光效應來發光。通過玻璃、金屬、或丙烯酸塑料材質的反射器反射光源發出的光并重新分配,再與透鏡和諸如格柵、遮光板之類的光學配件一起作用,進一步塑造配光形狀。 盡管來自LED的光輸出更加集中,但是其光分布對于大多數應用來說依然太寬,而且遠距離的光強度不夠。因此,LED光源和燈具通常整合了一套或多套次級光學系統,它們可以由透鏡、反射器、全反射(TIR)光學系統(一塊透鏡或反射器)和漫射器組成,用來收集光線,增強其強度,將其導向目標表面,之后再混合來提升光束和光色的一致性。   選擇合適的光學系統依賴于具體應用。Soraa的LED產品副總裁Frank Shum說,反射器和全反射光學系統在LED MR16燈杯和定向性照明中較為普遍,兩者各有優劣勢。   反射器   反射器比全反射光學系統的實現更加簡單,生產也更加便宜。它們在光校準——使光線平行傳播——這方面能有多好,某種程度上取決于其形狀。將反射表面處理為多個小反射面或分割面,能夠改進光束的均勻性,這可以用不同的材質或表面處理來實現。如果必要,還可以使用透鏡進一步發散光線。   但是反射器并不能解決一切問題。例如,從一顆LED發出的光能從拋物線形反射器中逃離出來,變成溢散光,或者更慘,變成眩光。此外,許多反射器是鋁蒸汽鍍膜,這是一種能夠導致短路的導體材料。生產商們能用一層絕緣材料來隔離反射器和LED電路板,但是,LED封裝離反射器越遠,反射器就越無法實現其“盡可能多的俘獲光并將其變向”的功能,3M產品發展專員Catherine Leatherdale這么說道。   新型鏡面反射薄膜,諸如3M最近出的D50系列,正在彌合那個缺口。這些薄膜由聚合材料制成,可以應用于塑料基板之上,具有絕緣功能和高反射性,而且在某些情況下,光學性能比鋁更好。作為選擇,一片鏡面反射聚合材料可以開模制作裝進反射器中來精準控光,提升表面反射率,并且位置靠近LED,因而能控制更多的光線。  全反射光學系統   光從一種介質穿行到另一種光學密度更小的介質,當以某種角度擊中其界面時,就會100%的反射,根據這種原理設計的全反射光學系統(全反射透鏡)由一組折射透鏡組成,安裝在反射器里,通常為錐形,光學效率高達92%。透鏡把光從光源中心導向反射器,反射器則負責控光和發射光線。通過這種安裝在LED封裝上的光學附件,就多了一次改變配光的機會。 全反射光學系統,由一組折射透鏡組成,安裝在反射器內,它比傳統的光學系統,諸如拋物線形反射器,能俘獲更多來自LED的光并將其重新輸送。 全反射光學系統通常由聚合物注模成型,以各種各樣的表面處理,如波浪型、枕狀或者拋光打磨,來塑造精準的光束形狀并傳播光線,將光束發散變寬,或者重新配光。然而,注模成型限制了透鏡的尺寸與壁厚,通常到0.5英寸。光學系統越大,其收縮變形的風險就越高。Shum說,在機器上保持更長時間的高溫和壓力能夠減少相關風險,但是要付出一定的成本。   全反射光學系統利用了LED的獨特特性。LED不像白熾燈那樣向外輻射熱量,而是向底座散發熱量,這使得全反射光學系統可以緊密地罩在它們的半球形頂部上。Hubbell照明的照明解決方案中心主任Chirs Bailey說,其結果就是,“LED為設計師提供了把直接從光源利用光線,并將其精準引導直達關鍵的垂直和水平面的機會?!?   盡管在室外和工業照明里更為普遍,全反射光學系統在室內應用中也正在取得進展。Bailey說道,全反射光學系統對于光束控制來說是理想的,但并非在所有應用中都有必要。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,耦合聚光就沒有必要了。   尺寸問題   Shun說,一顆LED或LED封裝與光學系統的尺寸比率決定了光束角。這就是說,更窄的光束要求更小的光源或者更大的光學系統。選擇前者,就會影響光輸出,而選擇后者,如果光源小的話,則會對注模成型或系統設計造成壓力,比如MR16燈杯產品,正是這種情況。

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