光电工程师社区

标题: 看光源设计LED照明灯的合理性 [打印本页]

作者: 这个夏天 时间: 2016-3-11 16:17
标题: 看光源设计LED照明灯的合理性
一个完整的照明灯具必须符合应用场合对照明光学的要求，因此对光源的光学设计就变得尤为重要。
　　
　　对于大部分LED光源，其发光角度和光强分布为110度至120度的郎伯分布，如果没有经过配光设计，光源发出的光将不能合理而有效的利用，不符人类对各种应用场合的照明要求。因此，一个良好的照明灯具必须进行全面的光学设计。
　　
　　LED照明灯具的光学设计包括一次光学设计和二次光学设计。在把LED芯片封装成LED光源的过程中必须进行光学设计，这种设计被定义为一次光学设计。它决定了光源芯片的出光角度、光通量大小、光强分布和色温范围等。将LED光源应用到具体产品时，整个系统的出光效率、光强、色温的分布状况也必须进行设计，称为二次光学设计。
　　
　　LED发光器件的二次光学设计是在一次光学设计的基础上进行的。一次光学设计保证了每个LED发光芯片的出光质量，二次光学设计则保证整个发光器件(或灯具)的出光质量和发光效率。
　　

　　对LED芯片进行一次光学设计，目的是将其发出的光能尽量多地取出，而二次光学设计是把LED灯具发出的光线照射到期望的方向上，从而让整个灯具系统发出的光能达到设计的需要。
　　
　　LED光学设计原理
　　
　　1.1 配光曲线
　　
　　光源发出的光在空间里的分布差异很大，有的向四周散开，比如裸光源发出的光，也有集中于一束范围，如投光灯发出的光。为了表示光源完整的空间光强分布，一个合适的表示方法就非常重要。
　　
　　配光曲线即为这样的一个表示方法。配光曲线表示一个灯具或光源发射出的光在空间中的分布情况，它记录了灯具的光强分布、光通量、功率、灯具制造商与型号等信息。
　　
　　配光曲线一般有三种表示方法：一是极坐标法；二是直角坐标法，如图1-1所示；三是等光强曲线图，其中前两种方法较为常用。

　　极坐标法多用于宽配光的灯具中，这种灯具一般是旋转对称型，因此使用极坐标法可以很好地表示配光曲线；直角坐标法常用于窄配光型的灯具中，如聚光灯、投射灯等；等光强曲线图是最好的表示方法，常用在面板灯、灯管型等灯具中，这种灯具的光强分布为椭圆形或类椭圆形。
　　
　　1.2 LED光源的两次光学设计
　　
　　传统照明灯具如白炽灯，因点光源发光特性，光线在空间各个方向均匀发散，使其光学设计较为简单。然而，LED属面光源发光，具有完全不同的发光角度和光强分布。
　　
　　另一方面，白炽灯的发光光谱近似于黑体发光光谱，而白光LED则是通过不同颜色光的混色原理而得到的，如蓝光激发YAG黄色荧光粉得到黄光后混合得到白光，或者RGB的混色原理。因此，白光LED不是连续光谱，其色温、显色指数等相比于白炽灯要相差许多，所以对白光LED灯的光学设计就变得极其重要。
　　
　　LED灯的光学设计包括两次光学设计：一次光学设计和二次光学设计。
　　
　　由于LED属半导体照明，其发光源是利用半导体化合物制成的芯片，发光原理不同于白炽灯的热辐射发光和荧光灯的发光原理。为达到高的发光效率和光取出率，对LED发光芯片和封装结构需要进行光学方面的结构设计等工作，这种设计我们称为一次光学设计。
　　
　　在LED封装完成后，应用于照明、显示等方面，在这个过程中需要考虑灯具的光强分布、发光角度等，因此也必须进行光学设计，这种光设计我们称为二次光学设计。
　　
　　1.2.1 一次光学设计
　　
　　从外延片制作成LED发光芯片，到把LED芯片封装成一个发光器件，一个很重要的方面是如何达到高的出光效率和符合不同出光要求，这也是LED“一次光学”设计要解决的问题。
　　LED芯片的发光层处于P型和N型半导体材料之间，光需要穿过材料介质射出到空间中，而材料介质的高折射率使出光角度仅在三十几度，导致大量的光无法射出而被吸收转化成晶格振动，产生大量的热量；热量直接导致芯片的结温上升，发光效率下降，发生严重的光衰现象。
　　
　　为解决这个问题，目前的技术手段有对芯片进行表面粗化处理、芯片形状采用倒梯形结构设计等，这些所用的技术处理都属于一次光学设计。
　　
　　在封装过程中，我们通过发光芯片和荧光粉的组合来实现白光，但这种方式中我们需要兼顾到色温。这些问题我们也都需要一次光学设计来解决。
　　
　　一次光学设计主要是针对芯片、支架、模粒这三要素的设计。目的是提高出光效率、解决色温的范围与分布等。一次光学设计主要进行以下几方面的工作：芯片的表面粗化、芯片倒梯形结构的设计、支架反光杯抛物线的优化、在封装中加透明透镜等。
　　
　　1.2.2 二次光学设计
　　
　　一次光学设计完成后，LED被用于照明灯具的发光光源。这个过程中的光学设计属于二次光学设计。
　　
　　与照相机镜头的光学设计不同，LED的二次光学设计属于非成像光学范畴，直接面向使用场合的要求，使灯具的照明效果最优化，且必须在一次光学设计的基础上进行，主要对灯具反光杯、光源与透镜来进行设计。
　　目前，市场中LED照明灯具的二次光学设计还比较粗糙，主要从传统照明灯具改造而来，还未能真正结合LED光源自身的特点来进行设计。
　　
　　LED光源灯具的光学设计主要采用反光杯来控制光分布，其基本形式主要有椭圆面反射器、球面反射器、双曲面反射器和抛物面反射器。这些反射器材料使用最广泛的是铝，铝不生锈、质地轻且易于加工成型。经过电镀、机械和化学等工艺抛光处理后，具有很高的反射率，具有良好的镜面性。

作者: kuosj 时间: 2016-5-3 16:28

欢迎光临光电工程师社区 (http://bbs.oecr.com/)