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工程师详析:高功率LED照明灯具的光学设计

光学人生 2021-11-23 15:44:38

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[导读] 本文要以大型照明灯具为范例,深入探讨高功率发光二极管照明灯具的光学设计。

    传统照明光源大多使用灯与白炽灯泡,基本大型照明灯具非常强调配光的控制性,单纯考虑发光效率的场合,荧光灯与高强度气体放电灯(HID: High Intensity Discharge)非常优秀,不过高强度气体放电灯的电气调光范围却很狭窄。相较之下荧光灯的光学系统照射特定领域时,若与卤素灯的钨丝比较,它的发光部位非常大,无法高效率从光源收敛光线。

  此外大型照明灯具要求0~100%柔顺的调光,一般都使用晶闸管(Thyristor)以点弧位相角控制方式,改变灯泡的驱动电压实现调光效果,因此大型照明灯具的光源几乎都使用卤素灯。大型照明灯具并不要求均匀照射物体,通常都是依照需求使用复数明用灯具,改变照射方向与照射范围,因此大型照明灯具大多设有照射范围调整机构,照射范围的调整分成:改变灯泡与镜片的间隔;将光收敛至开口(Aperture)处,改变投射开口的镜片群焦距。实际上必须根据明用灯具的种类与用途使用。

  最近几年地球环保声浪日益高涨,大型照明灯具也要求省能源与降低二氧化碳的排放量,因此国外照明灯具业者已经舍弃传统低发光效率的白炽灯泡,改用高发光效率新世代发光二极管光源。90年日亚化学中村教授开发高辉度蓝光发光二极管,96年高辉度蓝光发光二极管组合钇铝石榴石(YAG: Yttrium Aluminium Garnet)荧光体的白光发光二极管照明光源问世后,立即被视为次世代光源成为全球注目的焦点。

  白光发光二极管发光效率的提升与高功率化,除了一般室内照明之外,还被当成大型照明灯具的光源使用。一般认为LED的调光特性非常优秀,进行调光动作时色度变化与反应特性比传统卤素灯更敏锐,然而大型照明灯具用发光二极管光源,必须解决以下课题,分别是:LED单体的光束非常少;蓝光LED组合钇铝石榴石荧光体的白光发光二极管,它的配光差异极易造成照射面发生色不均匀问题。使用复数LED的场合,各LED之间的分布非常大。接着本文要以大型照明灯具为范例,深入探讨高功率发光二极管照明灯具的光学设计。


1、LED灯具的设计


灯具结构

  如图1所示使用卤素灯建构光学系统时,大多利用椭圆形反射镜将光线集中至开口处投影。发光二极管的场合,单位发光二极管的光束很少,当作照明光源使用时必须使用数个~数十个发光二极管,因此复数光源产生的光线控制非常重要。

  

  复数LED当作配配光控制型照明灯具使用时,必须结合高功率发光二极管与光学系统,利用镜片数组(Array)将发光二极管产生的光线准直化(Collimate),接着再透过聚光镜片(Condenser Lens)使光线在开口处混合集光,最后再利用成像光学系统使该开口光源影像变倍投影,进行所谓的“配光控制”。此外使用镜片数组与聚光镜,还可以消除照射面的亮度不均与色不均等问题。

  大型照明灯具大多使用1000W左右的卤素灯,1000W的卤素灯相当于2.5万流明(lm)的光束,使用这种光源的照明灯具若转换成目前LED的容量,效率上几乎无法实现。图2与图3是研究人员根据以上大型照明灯具要求的特性,设计的照明灯具具体结构。

  

  整体结构如图所示,LED光源呈8×8合计64个排列,封装在已经考虑散热的基板上,8个串联连接的电路则以35mA电流的定电流电源驱动。此外基于提高散热考虑,利用轴流冷却风扇进行强制空冷。

 上述大型照明灯具,光学组件接近光源设置的场合,必须考虑发光二极管内部结构模型化。模型化首先量测发光二极管的形状与荧光体的尺寸。镜片形状的模型化使用式(1)非球面方程式,以最小自乘法进行与量测值的优化(Fitting)。发光部位则进行荧光体发光的模型化,各部位的发光强度则与激发强度呈比例。

  

  Z:光轴方向的下陷(Sag)

  H:与光轴直交方向的高度

  C:曲率半径的逆数

  K:Koninck系数

  A:高次非球面项

  图4是已经模型化的LED镜片、发光部与LED整体的模型;图5是使用上述模型利用仿真分析获得的配光分布与实测值;图6是实际光源模块外观。

  

  



2、镜片数组的设计


  镜片数组是整合64个对应发光二极管,由12.5×12.5mm大小,压克力(PMMA: Poly Methyl Methacrylate)制成的矩形镜片CELl构成,镜片数组可以使发光二极管产生的光线准直化。镜片数组从镜片背面至焦点的距离为13.5mm,虽然增加该焦点距离,准直化的光线散乱比较少,而且聚光镜片的集光效率可以大幅提高,然而相同N/A值,单位Cell的口径会变大,整体外形尺寸也会随着暴增,因此设计上以降低球面收差为主要诉求。图7是单位Cell的镜片外观,Cell的形状如图所示呈平凸镜片状,凸出部位主要是为补正收差,刻意制成Koninck形状。

  



3、聚光镜片的设计


  聚光镜片除了可以使镜片数组准直化的光线高效率收敛至开口处之外,还可以应用在复数光线的混合、消除照度与色不均等设计。设计上为缩短照明系统整体的长度,单镜片若与口径比较它的焦距很短,因此F/N只有0.93。

  此外聚光镜片非常重视将准直化的光线高效率收敛至开口处的功能,设计上必须进行球面收差补正,因此凸面呈非球面形状。本设计使用的聚光镜片C=0.0145、K=-0.587,采用6次非球面项次,它可以使光线收敛至口径为ψ50mm的开口处,聚光镜片的材质则为压克力(PMMA)。



4、变倍成像镜片的设计


  一般大型照明灯具,例如变倍投影的照明灯具大多采用2群2片成像镜片设计,很少设置收差补正镜片。新型大型照明灯具使用的镜片,采用很重视成像特性的镜片系统,同时针对发光二极管与卤素灯照明灯具的差异点,例如分光强度与开口口径进行确认。成像镜片采用3群3片全长固定型变倍镜片(Zoom Lens)设计,可在100~150mm焦点范围进行变倍投影,图8是变倍成像光学系统与光线图。

  

  此外为补正各收差,各镜片使用分散相异的光学玻璃,配合非球面化设计进行收差补正,因此3片镜片之中的2片镜片使用高次非球面镜片。图9是变倍投影镜片的横收差图,由图可知大型照明灯具的光学系统,在有效变倍范围可以获得充分的收差补正。

  

 

5、LED灯具的特性评鉴


  研究人员为进行各种条件的实验,根据以上设计试作大型照明灯具,接着在光学平台(Bench)上进行配光量测、照度不均、色不均进行评量。图10是试作照明系统的实际外观。

  


6、配光量测

 

  配光量测的照射距离为3m,依此量测照射壁面时的照度,接着针对目视与配光量测结果进行评鉴。图11是照射距离3m,4种照射直径时的配光特性测试结果,由图可知新世代大型照明灯具可以获得低照度不均、良好的配光特性。此外3m照射距离的中心照度,0.9m最小照射直径与1.5m最大照射直径时,可以获得570流明(lm)与300流明(lm)实用等级的照度与配光特性。

  


7、色不均特性

 

  如上述蓝光发光二极管组合钇铝石榴石荧光体的白光发光二极管,结构上发光二极管芯片产生的蓝光配光特性,与蓝光激发组合钇铝石榴石荧光体产生的黄光配光特性不同,因此随着照射角度颜色会改变。

  新世代大型照明灯具的光学系统使用镜片数组与聚光镜片,除了可以使光线高效率收敛至开口处之外,还能够使发光二极管产生的光线均匀化(Homogenizing),有效消除照射光的色不均匀现象。

  如图12所示发光二极管单体的场合,中心部位的色度分别是x=0.2742,y=0.2831比较偏蓝色,距 离光轴16°的位置x=0.3114,y=0.3704,周边部位30°的位置x=0.3358,y=0.3745,随着角度不同色度变化非常明显,即使目视都可以分辨照射光中心部位与周边部位颜色差异。

  

  新世代大型照明灯具的光学系统使用部份开口进行投影,变倍的广角端(Wide)照射角度为16°。虽然理论上无法进行角度与LED单体相同比较,不过基本上周边部位与中心部位的比较,可作相同色不均匀的评鉴。

  新世代大型照明灯具的中心部位色度x=0.3220,y=0.3252,中间部位亦即距离光轴5°位置的色度x=0.3247,y=0.3294,周边部位10°的位置x=0.3128,y=0.3178,与发光二极管单体比较时,角度造成的色度差异明显减少。


  结语

  以上介绍高功率白光发光二极管构成的新世代配光控制型大型照明灯具的特性。研究人员透过设计、试作,解决高功率白光发光二极管构成的大型照明灯具配光控制问题点,获得无照度不均而且非常柔顺的配光分布特性。

  此外新世代配光控制型大型照明灯具使用的光学系统,可以有效改善色不均现象,今后将进行详细的发光二极管内部模型化,进行将蓝光与荧光体纳入考虑的光学系统仿真分析。由于光学系统对混色非常有利,而且使用单色发光二极管的照明灯具,可以获得高效率、立体影像的全像(Hologram)再生照明,因此研究人员计划制作组合单色发光二极管,开发全彩、无色不均的照明灯具。

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