了解用于確定LED光學元件及關(guān)鍵參數(shù)

根據(jù)聯(lián)合國 en.lighten initiative（啟明倡議組織）的計算結(jié)果，如果現(xiàn)有照明改為采用節(jié)能型 LED 燈，則每年的 CO2 排放量將減少 6 億噸。 如果這一數(shù)據(jù)還不足以令人振奮，我們再看一下 LED 燈本身，它比傳統(tǒng)白熾燈使用壽命長，既支持新設計理念、富有想象力的照明效果，又節(jié)省空間。 光學系統(tǒng)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(chǎn)生關(guān)鍵性影響。

透鏡和反光鏡

盡管 LED 在每瓦流明值方面遠比白熾燈高效，但發(fā)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(tǒng)的一個重要組成部分。 任何 LED 照明系統(tǒng)都需要透鏡或反光鏡，這些部件有助于盡量利用的 LED 流明。

典型的反光鏡采用聚碳酸酯板模制而成，表面帶有金屬化反射涂層。 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。 透鏡常用于采用小光源和 1 至 4 個 LED 芯片的典型系統(tǒng)。 在需要過大或過昂貴透鏡的應用中，如采用大型光源的應用，或者如果光源在通用熒光層上包含多個芯片時，諸如 LEDiL Lena 系列 之類反光鏡就具有許多優(yōu)勢。

就透鏡而言，目前市場上的產(chǎn)品形狀各異、各具特色。 需要在較長使用壽命內(nèi)實現(xiàn)出色的光輸出時，通常可依賴采用高質(zhì)量光學設計和材料的產(chǎn)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(zhì)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，且能抵御熱、冷、陽光直射或潮濕等環(huán)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(shù)及它們之間的關(guān)系。 光學效率用于衡量鏡頭的光通量發(fā)射能力，采用高品質(zhì)光學級材料鏡頭的效率可超過 90%。 但對于透鏡發(fā)出的光是如何定向的，這個數(shù)字沒有反映出任何信息。 可用其它參數(shù)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(shù)據(jù)能夠更好地評估在光強度和分布方面能到達的照明效果。

對于一個在配光中心具有最大強度的對稱透鏡，F(xiàn)WHM 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。 該信息有助于設計人員評估主光束以外雜散光數(shù)量。 10% 和 FWHM 角之間的差異小，表示一盞燈可以產(chǎn)生狹窄、集中的光束。

與 FWHM 和 10% 角度信息一起，cd/lm 數(shù)值可用于測量光束中心的峰值強度。 同時利用這三個參數(shù)可定義一條非常類似傳統(tǒng)“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(shù)據(jù)在光度文件中以數(shù)字方式提供，除了傳統(tǒng)的單個透鏡規(guī)格書外，還可下載光度文件。 這些文件采用 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。這是一種繪制工具，可用于繪制透鏡發(fā)射光的傳播和強度圖形。 LEDiL 生成光度數(shù)據(jù)，說明其每個透鏡如何與領(lǐng)先制造商的 LED 協(xié)同工作。 這些數(shù)據(jù)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(yōu)設計原則制造的透鏡，可以高效發(fā)射緊密控制型光束產(chǎn)生的流明。 圖 3 所示為全內(nèi)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(chǎn)品系列中的常用類型。 透鏡作為一種基本準直器，收集由 LED 芯片發(fā)出且以大量不同入射角進入的光線，然后產(chǎn)生一束單向集中光線。 典型的 TIR 透鏡類似圓錐體透鏡，且通常采用旋轉(zhuǎn)對稱形式。 這些透鏡也可以是單透鏡或者以陣列形式制造，用于配合使用多芯 LED 光源，而且這些透鏡可以加入內(nèi)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(xiàn)了高性能

TIR 透鏡的準直特性可用于生產(chǎn)純粹的射燈，這種射燈可向嚴格定義的區(qū)域照射高強光。 然而，設計人員可能希望在不同的應用和環(huán)境中產(chǎn)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，可采用許多方法來調(diào)節(jié)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(xiàn)這些效果的方法是在透鏡上表面形成一個類似于昆蟲復眼外觀的“枕頭”形表面，或者一個漫射圖案。 這些表面的尺寸和斜度經(jīng)過調(diào)節(jié)后可用于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(xiàn)。

此處值得注意的是，簡單圖案易于實現(xiàn)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(chǎn)生復雜的光束圖形，會顯著降低光效率。 然而，從一開始就設計用于產(chǎn)生復雜光束圖形，且不依賴車削準直器的透鏡，就能克服這些限制，實現(xiàn) 90% 以上的光效率。 例如 LEDiL Stella-A 非對稱系列產(chǎn)品，該系列用于 Bridgelux、Citizen、Cree 或 Philips 等制造商的單 LED，且根據(jù)不同的 LED 類型，可實現(xiàn) 87-93% 的效率。

透鏡尺寸和定位

確保透鏡相對于 LED 具有一個最優(yōu)尺寸，也是實現(xiàn)高性能的一個重要方面。 一般來講，較大透鏡的優(yōu)勢是準確性更高，因此可用于確保更高的性能。 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(yōu)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(guān)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(lián)系。 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(chǎn)品的最優(yōu)尺寸，盡管如 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，并且透鏡尺寸小至 10 mm 時效率可能降至 80-85%。 另一方面，使用尺寸明顯大于 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于特殊應用，這些應用需要一種要求總 FWHM 在 3-4 度之內(nèi)的極窄配光，或者在這些應用中由多個光學元件形成復雜的配光。

為達到最佳效率，最理想的情況是需要透鏡捕獲 LED 發(fā)出的所有光線。 除了確保透鏡尺寸適中外，透鏡與發(fā)射器芯片的相對位置也至關(guān)重要。

目前有多種透鏡正確定位方法。 Larisa-W-PIN 透鏡專用于配合 Cree XQ-E 器件使用，OSRAM Oslon SSL 80 LED 在其方形本體下方帶有模制定位針。 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，用于將其固定到安裝有 LED 的電路板上。 彈簧扣在生產(chǎn)環(huán)境下使用快速簡單，且如果 PCB 尺寸能夠控制在緊公差范圍內(nèi)，則彈簧扣固定高效、準確。

其它的透鏡固定方法包括液態(tài)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，如用于彈簧扣的安裝孔。 用于多 LED 的透鏡可采用螺釘安裝，如 Stradella 透鏡陣列 等產(chǎn)品，或者通過銷釘?shù)绕渌绞桨惭b，如采用 Cute 系列 3 透鏡陣列時。 象 Cute 系列多透鏡產(chǎn)品有助于降低如圖 4 所示大型 LED 陣列的光學系統(tǒng)成本。

圖 4：多透鏡有助于減少元件數(shù)量，簡化裝配。

結(jié)論

為實現(xiàn) LED 照明，必須盡可能利用 LED 發(fā)出的光，以發(fā)揮其最大潛能。 固然光學系統(tǒng)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。 通過了解用于確定光學元件及其相關(guān)性的關(guān)鍵參數(shù)，設計人員應能評估各種可能的選項，并作出最滿足設計要求的選擇。