【導讀】LED作為新一代光源,正逐漸取代傳統(tǒng)節(jié)能燈的市場。但LED光源的發(fā)光形式,又與傳統(tǒng)光源有著很大區(qū)別,目前市場上流通的LED產品,除了少數,如路燈,大部分都沿用了傳統(tǒng)光源的配光設計,比較粗獷和籠統(tǒng)。那么,LED的光學系統(tǒng),又該如何進行設計?
為此,特采訪了“2014年度國家技術發(fā)明獎獲”獲得者、清華大學深圳研究生院錢可元教授。錢可元教授因在“調控光線行為的三維自由光學曲面構建及其在半導體照明中的應用”的研究貢獻,于2015年1月9日榮獲該獎項。
簡單粗暴的LED光學設計
影響LED光學設計最重要的因素包括光,電,機械三部分。光里面,除了光源本身,光學系統(tǒng)的設計尤為重要。因為LED是一個點光源,想要滿足各種各樣的照明需求,必須要搭配上相應的光學系統(tǒng)。
“從LED燈珠的封裝而言,一次配光比較簡單。封裝企業(yè)一般都是立足于成本與量產的角度,較多地考慮材料與結構能夠充分把光提取出來,提高效率。
另外一個是把光色做到合乎我們的要求,包括色溫的控制,色溫空間均勻性的控制。真正的配光,還得靠二次光學來設計。”
然而,企業(yè)在設計光學系統(tǒng)的過程當中,往往采用拿來主義,稍加修改,或者直接采用供應商的方案。
行業(yè)面臨最大的問題是缺乏專業(yè)的人才,而LED光學設計要求更高,企業(yè)普遍缺乏理論指導,能夠進行理性、系統(tǒng)的設計LED配光系統(tǒng)的企業(yè)鳳毛麟角。
LED精準配光設計難點
企業(yè)設計能力與技術積累。
在行業(yè)剛剛起步之際,企業(yè)忙于搶占市場,推廣產品,光品質方面所考慮的東西比較少。比如一個路燈,能達到基本照度要求,不會有太大問題,能達到一定的照度均勻性就更好,也不會有太多人去較真。至于一般的球泡、燈管,則基本沒有什么光學設計可言。
精準光學設計本身也是LED照明產品優(yōu)化提高的需要,同樣一個路燈,要設計得好,需要根據不同的路段、燈本身的配置情況,進行相應的光學設計,這就要求燈具廠能夠根據工程的實際情況來進行專業(yè)的光學設計。
路的寬度,燈桿的高度,路燈的間距,路燈挑高的角度,都要求路燈的透鏡、光學系統(tǒng)有應對的措施。
“這也就不難明白為何做路燈的都是一些大企業(yè)了。企業(yè)需要配置不同的模具,根據不同的需求搭配相應光學系統(tǒng),這樣才能把每條路都做得很漂亮。規(guī)模較小的企業(yè),難以承擔這樣的成本。” 錢可元教授指出。
LED的特殊性。
照明設計與基本的光學理論大家都懂,但LED照明是一個新興的行業(yè),是要根據各種不同的應用場景來進行設計,對于設計者的要求相對較高,不但要懂理論,還得要有實踐的經驗,跟整個工程實際情況去做相對應的光學設計。
“特事特辦,沒有一個標準的模式或理論可以通用,這也是LED精準光學設計的難點,根據不同的應用場景要求進行設計。在我們設計UV固化光源系統(tǒng)時,要求的卻是發(fā)散角很小的大面積均勻強輻照,其設計又與傳統(tǒng)的同類產品截然不同。”錢可元說。
此外,一般的企業(yè)要養(yǎng)一個專業(yè)的光學工程師也不容易。
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COB的二次光學設計。
LED光學設計,通常是對于點光源而言,但COB是一個面光源,作為封裝主流趨勢之一,其配光設計也備受關注。
COB封裝沒有進行光學設計,只是芯片集成在一起,雖然COB本身發(fā)光均勻,應用到光學系統(tǒng)后卻會產生問題。
“如一個需要邊緣清晰的均勻照明的場景,實際上用COB來做,效果反而會差,本來很清楚的邊緣變得不清楚了,或者照度變得不均勻了。”
錢可元談到,COB的配光對光斑要求較高的場合已成為行業(yè)的難題,但在特定的某些場合下,把COB的配光進行一些優(yōu)化和改進,從而使其符合要求,只是并非所有燈具都適合用COB光源。
“目前我們對筒燈、射燈之類的光學設計進行一些優(yōu)化,有些筒燈不是加透鏡,而是加反光杯,可以夠獲得較好的照明效果。如果COB用于路燈,則必然得把透鏡做的很大,否則就沒辦法達到配光的要求。”
COB屬于擴展光源,如何對COB的二次光學設計進行優(yōu)化設計,這也正是錢可元教授目前研究的一個方向。
LED精準光學設計的誤區(qū)
對LED光學設計的忽視。
LED作為照明產品,滿足人們各種各樣的照明需求是一個最基本的功能,但企業(yè)對于LED光學設計卻未給予足夠的重視,如燈絲燈,從光學設計角度而言比較簡單粗暴,“不能說倒退了,但確實是一個無奈之舉。”
未考慮燈與環(huán)境的融合。
路燈就是一個很好的例子,眩光、斑馬線等現象時有存在,其原因就是設計企業(yè),未能充分考慮到具體路段的環(huán)境因素造成的。
“目前我們設計的新一代LED路燈西塔,可以根據實際路面的反射系數優(yōu)化光源在路面的照度分布,從而達到在控制燈具眩光的前提下,滿足路面照度與亮度同時均勻,有效消除路面的''斑馬線''現象。”
未考慮光源與光學系統(tǒng)的適配問題。
LED的光學設計,一定是根據具體的光源來設計的,光源不一樣,透鏡也就得跟著改變。
“目前的光源,各家封裝廠都會有所不同,封裝器件變了,光學系統(tǒng)是不是合適,這些東西應用廠也應該去考量。此類技術問題在涉及背光源和直下式平板燈的光學設計中尤為重要。在接觸過程中,我們發(fā)現有些企業(yè)在這方面做得還是有限。”
“企業(yè)進行LED光學設計,要根據市場需要,或自身產品定位而進行。比如均勻度,80%是均勻,90%也是均勻,只要能夠滿足產品的市場需求,這個光學系統(tǒng)就夠了。真正好的照明企業(yè),還應有一個光學工程師,不一定都要自己設計,但起碼光學設計理念一定要了解,企業(yè)應該要知道如何取舍,如何控制自家產品的光學設計要求。” 錢可元教授最后建議道。