LED作為新一代光源，正逐漸取代傳統(tǒng)節(jié)能燈的市場(chǎng)。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(chǎng)上流通的LED產(chǎn)品，除了少數(shù)，如路燈，大部分都沿用了傳統(tǒng)光源的配光設(shè)計(jì)，比較粗獷和籠統(tǒng)。
那么，LED的光學(xué)系統(tǒng)，又該如何進(jìn)行設(shè)計(jì)?《新世紀(jì)LED》記者特采訪了“2014年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)獲”獲得者、清華大學(xué)深圳研究生院錢可元教授。錢可元教授因在“調(diào)控光線行為的三維自由光學(xué)曲面構(gòu)建及其在半導(dǎo)體照明中的應(yīng)用”的研究貢獻(xiàn)，于2015年1月9日榮獲該獎(jiǎng)項(xiàng)。
“2014年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)獲”獲得者、清華大學(xué)深圳研究生院錢可元教授
簡(jiǎn)單粗暴的LED光學(xué)設(shè)計(jì)
影響LED光學(xué)設(shè)計(jì)最重要的因素包括光，電，機(jī)械三部分。光里面，除了光源本身，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要。因?yàn)長(zhǎng)ED是一個(gè)點(diǎn)光源，想要滿足各種各樣的照明需求，必須要搭配上相應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)。
“從LED燈珠的封裝而言，一次配光比較簡(jiǎn)單。封裝企業(yè)一般都是立足于成本與量產(chǎn)的角度，較多地考慮材料與結(jié)構(gòu)能夠充分把光提取出來(lái)，提高效率。另外一個(gè)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(xué)來(lái)設(shè)計(jì)。”然而，企業(yè)在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的過(guò)程當(dāng)中，往往采用拿來(lái)主義，稍加修改，或者直接采用供應(yīng)商的方案。
行業(yè)面臨最大的問(wèn)題是缺乏專業(yè)的人才，而LED光學(xué)設(shè)計(jì)要求更高,企業(yè)普遍缺乏理論指導(dǎo)，能夠進(jìn)行理性、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)LED配光系統(tǒng)的企業(yè)鳳毛麟角。
LED精準(zhǔn)配光設(shè)計(jì)難點(diǎn)
企業(yè)設(shè)計(jì)能力與技術(shù)積累。在行業(yè)剛剛起步之際，企業(yè)忙于搶占市場(chǎng)，推廣產(chǎn)品，光品質(zhì)方面所考慮的東西比較少。比如一個(gè)路燈，能達(dá)到基本照度要求，不會(huì)有太大問(wèn)題，能達(dá)到一定的照度均勻性就更好，也不會(huì)有太多人去較真。至于一般的球泡、燈管，則基本沒(méi)有什么光學(xué)設(shè)計(jì)可言。
精準(zhǔn)光學(xué)設(shè)計(jì)本身也是LED照明產(chǎn)品優(yōu)化提高的需要，同樣一個(gè)路燈，要設(shè)計(jì)得好，需要根據(jù)不同的路段、燈本身的配置情況，進(jìn)行相應(yīng)的光學(xué)設(shè)計(jì)，這就要求燈具廠能夠根據(jù)工程的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行專業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)。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(xué)系統(tǒng)有應(yīng)對(duì)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(jù)不同的需求搭配相應(yīng)光學(xué)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(dān)這樣的成本。” 錢可元教授指出。
LED的特殊性。照明設(shè)計(jì)與基本的光學(xué)理論大家都懂，但LED照明是一個(gè)新興的行業(yè)，是要根據(jù)各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于設(shè)計(jì)者的要求相對(duì)較高，不但要懂理論，還得要有實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，跟整個(gè)工程實(shí)際情況去做相對(duì)應(yīng)的光學(xué)設(shè)計(jì)。
“特事特辦，沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模式或理論可以通用，這也是LED精準(zhǔn)光學(xué)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。在我們?cè)O(shè)計(jì)UV固化光源系統(tǒng)時(shí)，要求的卻是發(fā)散角很小的大面積均勻強(qiáng)輻照，其設(shè)計(jì)又與傳統(tǒng)的同類產(chǎn)品截然不同。”錢可元說(shuō)。此外，一般的企業(yè)要養(yǎng)一個(gè)專業(yè)的光學(xué)工程師也不容易。
COB的二次光學(xué)設(shè)計(jì)。LED光學(xué)設(shè)計(jì)，通常是對(duì)于點(diǎn)光源而言，但COB是一個(gè)面光源，作為封裝主流趨勢(shì)之一，其配光設(shè)計(jì)也備受關(guān)注。
COB封裝沒(méi)有進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，只是芯片集成在一起，雖然COB本身發(fā)光均勻，應(yīng)用到光學(xué)系統(tǒng)后卻會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。“如一個(gè)需要邊緣清晰的均勻照明的場(chǎng)景，實(shí)際上用COB來(lái)做，效果反而會(huì)差，本來(lái)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(duì)光斑要求較高的場(chǎng)合已成為行業(yè)的難題，但在特定的某些場(chǎng)合下，把COB的配光進(jìn)行一些優(yōu)化和改進(jìn)，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(duì)筒燈、射燈之類的光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)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(méi)辦法達(dá)到配光的要求。”COB屬于擴(kuò)展光源，如何對(duì)COB的二次光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這也正是錢可元教授目前研究的一個(gè)方向。
LED精準(zhǔn)光學(xué)設(shè)計(jì)的誤區(qū)
對(duì)LED光學(xué)設(shè)計(jì)的忽視。LED作為照明產(chǎn)品，滿足人們各種各樣的照明需求是一個(gè)最基本的功能，但企業(yè)對(duì)于LED光學(xué)設(shè)計(jì)卻未給予足夠的重視，如燈絲燈，從光學(xué)設(shè)計(jì)角度而言比較簡(jiǎn)單粗暴，“不能說(shuō)倒退了，但確實(shí)是一個(gè)無(wú)奈之舉。”
未考慮燈與環(huán)境的融合。路燈就是一個(gè)很好的例子，眩光、斑馬線等現(xiàn)象時(shí)有存在，其原因就是設(shè)計(jì)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?cè)O(shè)計(jì)的新一代LED路燈西塔，可以根據(jù)實(shí)際路面的反射系數(shù)優(yōu)化光源在路面的照度分布，從而達(dá)到在控制燈具眩光的前提下，滿足路面照度與亮度同時(shí)均勻，有效消除路面的“斑馬線”現(xiàn)象。”
未考慮光源與光學(xué)系統(tǒng)的適配問(wèn)題。LED的光學(xué)設(shè)計(jì)，一定是根據(jù)具體的光源來(lái)設(shè)計(jì)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(huì)有所不同，封裝器件變了，光學(xué)系統(tǒng)是不是合適，這些東西應(yīng)用廠也應(yīng)該去考量。此類技術(shù)問(wèn)題在涉及背光源和直下式平板燈的光學(xué)設(shè)計(jì)中尤為重要。在接觸過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)有些企業(yè)在這方面做得還是有限。”
企業(yè)進(jìn)行LED光學(xué)設(shè)計(jì)，要根據(jù)市場(chǎng)需要，或自身產(chǎn)品定位而進(jìn)行。比如均勻度，80%是均勻，90%也是均勻，只要能夠滿足產(chǎn)品的市場(chǎng)需求，這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)就夠了。真正好的照明企業(yè)，還應(yīng)有一個(gè)光學(xué)工程師，不一定都要自己設(shè)計(jì)，但起碼光學(xué)設(shè)計(jì)理念一定要了解，企業(yè)應(yīng)該要知道如何取舍，如何控制自家產(chǎn)品的光學(xué)設(shè)計(jì)要求。” 錢可元教授最后建議道。
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