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离开光学系统LED热捧效能将不复存在

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

如果没有高品质的光学系统与之相配,即使最高效的光源也会显得毫无用处。例如,位于纽约州特洛伊市的照明研究中心(LRC)的研究主任Nadarajah Narendran说过,一只紧凑型荧光灯,如果搭配一套不合适的光学系统,就会损失高达70%的光输出。同样的,离开了正确的光学系统,LED那被热捧的效能也将不复存在。 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。  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。 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。   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。

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