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创新光学材料助力LED照明新需求

放大字体  缩小字体 照明中国网   发布日期:2018-11-14  来源:OFweek物联网  
 导读: 创新分两类,需求推动与技术推动。LED作为最新的光源技术将把照明推向何处?

01

照明新的发展方向

创新分两类,需求推动与技术推动。LED作为最新的光源技术将把照明推向何处?

光源是照明的源头。在很长一段时间人类对光源的应用主要体现在自然光上,催生了许多伟大的建筑文化,不展开讨论。就人造光源而言,经历了光火同源,光温同源(黑体),再到光子理论的三大主要阶段。光火同源阶段,照明的主要任务是如何把火烧得更旺,古人通过寻找更易燃烧的松枝代替普通的木材来创新,发现氧化说后,创新多在于把氧气更好地混入可燃物上,伦敦街头的瓦斯灯很好见证了先行者的努力。随着认识进一步发展,光和火分离,耳熟能详的爱迪生,实验耐高温材料来提高光源寿命,是那一代照明人的历史使命。一代理论一代技术一代产品,光子理论背景下,诞生了荧光灯,金卤灯和伟大的LED,为什么说其伟大? 因为这是人类第一次不用高温来间接获取光,第一次实现了从电子到光子无中间态转化。好处显而易见,中间层级的减少意味着高效,今天的LED,160lm/w的效率已然不是什么高科技,就其理论极限355lm/W(外量子效率100%) 而言既方兴未艾又任重道远;绕过了高温这一环节,亦带来了光源寿命的显著提升;荧光灯需要慢慢变到最亮,金卤灯需要启动时间,都源于温升需要时间,而LED毫秒级点亮; 温度的下降,器件的减少,使得LED的体积明显变小。

总结特征如下:1. 高效;2. 长寿;3. 低温;4. 响应快; 5. 小。

高效,长寿将继续发展,但非主战场。因为经济性,光效进一步提升带来的好处有限,寿命结合需求(装修期) 也基本满足,技术突破的难度日益增大。需求的满足伴生需求的升级,越来越多的地方,已经不再单纯强调光效,而对哪里要有光-精准的配光,有什么样的光-显色指数,色温,全色域指数,色容差,光斑形态,光斑过度,主辅光斑,眩光,提出了更高的要求。

响应快,电子器件化的同时照明产品本身通电,布置网格化的特点结合大热的物联网也将推动产品的升级。

结合低温,小。行业作了很多创新,但还不够,LED照明产品的形式和传统时代并无本质区别。其特点使得透镜(传统时代多为反射器)成为主要的配光工具。但灯具体积,形式还没有走出传统灯具的影子。这将是LED照明发展的最主要突破口之一,温度低的特点,使更多的材料得以发挥作为,体积小的特点让灯具形式多样化,使用愈发灵活,但也提出了更高的要求,比如:隐蔽性-见光不见灯;同源多样性-同款多配光。都呼唤产品小型化,模块化,而发光面不是越小越好,因此小型化的进化方向应是扁平化。

追本溯源得出LED发展的四个发展方向: 一、光品质,二、扁平化,三、模块化,四、智能化

02

LED照明面临的挑战

LED光源长寿和高效基本符合要求,但挑战依然存在,系统寿命受到:电源寿命,多器件多焊点的工艺稳定性,温度等等限制。降低眩光,优化光斑,消除色散都会大幅降低光效,从而导致系统效率偏低。体育馆照明等领域,受限于温度管理,系统功率及总光通量还偏低。

光品质方面,挑战更加巨大。

LED体积小对整灯工艺提出了更高的要求。主流的透镜,特别是小光束角,小体积透镜,细微的装配误差可能带来配光的急剧劣化,如图一。

图一

照明产品的主要配光手段从反射器切换到透镜,色散 (折射特有)成为光品质的大拦路虎。目前,消除方案也比较单一。

光源的一致性没有很好解决,色温色容差批次间差异较 大,对于大功率小角度线形灯影响尤为突出。

照明频闪的判断依据亟待标准和统一。

扁平化的道路上,大功率产品比少,且主要是面板灯等大角度配光产品。小角度光学方案缺位。

模块化,多见于路灯隧道灯,其他灯具发展比较缓慢。

智能化,道路漫漫。不谈智能,仅谈简单的调光,室内常用的0-10V调光,切向调光,Dali控制,与室外常用的DMX512控制 ,如何整合为一体也是实际工程项目面临的问题。

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03

现阶段光学方案概述

配光是照明永恒的主题。灯具的本质是保护光源,对光进行重新分配的器具。合理的配光是灯具的生命线。

3.1 二次配光光学需求

如图二,光在封装层级的整合叫做一次光学设计,其重点任务是提高光的引出效率,提高光斑初始质量,避免色散黄斑等缺陷。不作重点阐述。

LED出光根据应用场合重新分配叫做二次光学设计,也是常规意义上的灯具光学方案设计。

图二

从原理上,其主要任务如下:1. 发散,把光线扩散到更广的角度,手法既有结构折射,亦可利用扩散材料,如图三。

图三

2. 聚焦,把宽的光线聚合成更窄的光线,如图四。

图四

3. 特殊分配,把光线转变为特殊分布的光线,如图五。

图五

4. 导光,利用全反射把光引导到需要得地方,如光纤,导光板。

5. 光回收,针对于透明材料,光学效率=透过光通量/总光通,反射率+吸收率+透光率=100%,基于3MM厚的透明板材吸收部分占比非常少,见图6,因此好的光学回收系统可以极大提升系统光效。目前主要的手法有,透镜与LED之间填充透明硅胶屏蔽空气消除全反射;材料表面镀增透膜减少反射,但由于膜的寿命及价格应用不广,利用高反射膜将反射回来的光收集后再投射出去,使用时需注意避免回收光破坏光品质。

图六

6. 防眩处理,工业照明和公共建筑常用房间或场所的不舒适眩光,应采用统一眩光值(UGR)来评价,其评判标准见表一。对于大发光面灯具如面板灯,线条灯应采用可抑制大角度光线的板材来实现,目前国内领先的材料厂家是中蓝光电。

表一

对于,小发光面的灯具亦可采用以上方式,具有灯具与天花融合更好的优势,但更极致的处理方式是合理设置遮光角,一般要求大于30度。遮光角(shielding angle)指光源最边缘一点与灯具开口边缘的连线与水平线之间的夹角。

对于室外灯具,如路灯则应采用GR限值及TI限值来评估,优化主要依靠透镜设计,地埋灯,洗墙灯则采取遮光板,蜂窝板的方式来屏蔽人眼直视出光面。

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7. 光斑矫正,目前除了定位于博物馆等高端场景的国际大厂,国内重视度还不够。透镜会引起如下图的色散发生同时也会放大光源一次配光的缺陷,照成光斑颜色不均匀,边缘发黄,甚至五彩斑斓见图8。

图八

矫正也需解决主副光斑过度中存在的问题。大角度出光的情况下,采用磨砂玻璃、布纹玻璃,甚至是扩散板来优化,但这些措施都会损失光效,高的甚至达到40%,同时光束角会明显变大。针对于小角度射灯传统方案无疑是失效的,因为配光被破坏了。针对小角度射灯矫正光斑现有方案是采用国外5度,10度膜,主要存在的问题有:光损失较大,一般超过15%;膜采用的工艺是PET镀微结构涂层,耐磨性欠佳,需同时使用保护板,系统光学效率会进一步下降; 该工艺基材薄,需要额外固定措施,防止卷曲后带来的光型破坏。目前中蓝光电采用的是纳米针刺模专利方案,更加环保,并且解决了连续生产,耐磨,易固定,无需再次防护的问题,在该领域处于领先地位。

针对小角度灯具,我们来探究几个概念,方便理解和解决现存问题。

光束角与光场角,CIE和中国照明协会均采用光束角来定义灯具角度(50%最大光强点与原点连线之间的夹角),这个应用最为广泛,对于室内产品,一般采用光束角,因为灯具离照射面距离远,作得好的产品光强50%以下的副光斑所占的光通量一般不超过灯具总光通量的5%,所以对视觉影响小。随着照明品质要求提升,对于离墙近的小,中角度筒灯,射灯仍具挑战。

光场角是IES针对于投光灯的定义(10%最大光强点与原点之间的夹角),由于光斑会呈现于被照物,特别是贴墙安装的户外灯具一般采用光场角来定义。

见图九,对应的光束角都是30度,但光场角不同,见下图箭头从左至右对应的副光斑越来越大,同时配光曲线本身差异,呈现的视觉感受(均匀度,边缘锐利度)完全不同的。这都是光学设计时需要注意的点。

图九

灯具实际效果,见图10。光束角与光场角分别形成了主光斑及副光斑,副光斑外还存在一个非常大的光斑,这又是什么呢?

图十

光品质升级的背景下,理解好这些光斑及如何处理他们,已经是照明行业必须解决的问题。见图11,主副光斑外,透镜表面,及灯具防护玻璃表面的反射杂散光效应形成的弱光面光源被灯具硬截光后,分别形成了二级副光斑及三级副光斑(COB表面亮度更大,所以COB反射器方案形成的二级副光斑更加明显,这回答了上面多余光斑的问题),如果不善加处理这些光斑,其对高品质光的破坏将是灾难性的,如图12。

图十一

图十二

3.2 配光的不同技术手段

大角度光学系统,因为主光斑大,副光斑被覆盖隐藏, 矛盾并不突出。

接下来介绍一下实际实现二次配光的主要光学器件:反射器配光,透镜配光,混光腔配光,组合控光以及防眩板材。

反射器配光

反射的方法可以完成大部分配光,理论上甚至可以做到平行配光,如图13,但在实际设计中,因长度限制,小角度应用受限,灯具体积也难控制。同时由于大量光直接出射,复杂光型比较难实现。在LED时代,其更多用于防眩,如黑光反射器。

在传统光源时代,受限于光源腔温度高(HID射灯光源腔玻璃表面温度可能接近200摄氏度),材料一般采用铝片旋压而成,表面作阳极化处理,高端产品进行铝或银溅射处理。但旋压工艺精度低,对原材料一致性要求很高(旋压后应力回弹变形),对设计的鲁棒性要求更高,使得传统时代,主流的12度,24度射灯产品及路灯产品主要控制 在国际一线知名品牌手中。随着LED介入,光学腔温度降低,结合注塑精度高,生产易控的特点,目前已无技术瓶颈,在各种射灯(小角度需集合透镜使用),筒灯产品,特别是COB光源为主的产品中得到广泛应用,但小角度应用中存在副光斑过大问题。

图十三

透镜配光

透镜的种类很多,目前应用最为广泛的有TIR透镜,折射透镜,菲聂耳透镜。下面简答分别介绍一下。

TIR透镜

标准的透镜最经典的就是圆锥形透镜,这些透镜很大一部分依赖于全内透反射所以称之为TIR(total Internal Reflection)透镜。通常TIR透镜是轴对称设计提供一个漂亮的圆形光斑,既可以组合成多颗LED成为阵列透镜也可以单颗加支架以方便安装和控光。见图十四。

图十四

TIR透镜的优点是显而易见的,所有光收入光学器件,同时,上表面可以作各种处理,如珠面,磨砂,条纹拉伸,布纹柔光,上表面菲聂耳化等处理,有利于精准配光。但是对于COB产品,透镜体积巨大,变种产品-透明外锥表面作真空溅镀处理,用反射代替折射来降低产品尺寸。

折射透镜

在特殊光型的配光中,应用较多。2个光学折射面组合的方式可以实现复杂配光,其对设计要求比较高。见图15。

图十五

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菲聂耳透镜

不作过多展开,优点是薄,一般需要配合反射器来提高光效。使用时需要注意色散引起的光斑缺陷及芯片成像问题。

混光腔配光

最常见的应用是LED筒灯,将多颗LED在光学腔内进行混光,经扩散板投射而出,优点是对光源一致性要求低,表面柔和均匀,成本经济。值得一提的是面板灯也是一种特殊的混光腔配光。缺点是难以实现小角度配光。值得一提的是中蓝光电NanoD系列可以直接替换扩散板实现50,60,70,80,90,100度的配光,为灯具扁平化再一次铺平了道路。

组合控光指的是通过通过以上手法的组合应用,实现光学优化。 板材防眩办公室照明目前主流产品是面板灯,有必要专门介绍一下面板灯的防眩技术,因为现代人有三分之一以上的时间在这样的照明环境下工作。传统时代的防眩主要由反射器和格栅硬截光完成,其光学系统在目前的面板灯系统上是无法采用的,因为无论是直下式面板灯还是导光式面板灯其发光面与天花齐平,不具备采用硬截光的空间,因此多采用板材防眩的方式来降低UGR。

很多人都对UGR存在一个误解,认为它同色温,光效一样,是灯具本身的参数。其实,UGR的含义是照明环境对于人眼的不舒适度,它是一个通过与产生眩光有关的各种参数计算得到的表征整个照明空间的不舒适眩光程度的值。简单来讲,UGR值不仅与灯具有关,它与房间大小,房间的反射率,以及观察者的观察方向都有关系。而当我们拿到一个灯具光学参数的时候,有一页叫做UGR数据表,所谓UGR<19我们看的就是这个表格,其实它是为了方便大家 快速识别灯具防眩能力人为定义了一个空间,所有的单一灯具都放置在这样一个规定空间内进行评估得出的一组数据。在这个表格(表二)内的数据,是基于人眼到天花板的高度 H=2米,灯具排布S=0.25H=0.5米的情况下,定义了5组不同反射率的天花,墙壁,地板的给定空间,其中空间的尺寸长宽信息由X,Y给定,而单一空间的最大尺寸一般不超过4H8H既8X16米,反射率最常用的是第一组既天花板,墙面,地面的反射率分别为0.7,0.5,0.2,所以我们说一个灯具的UGR值是多少一般简单的读取4H8H交叉和向前的第一个数据,取大值,表二里取19.3来作为比较的依据。当实际装灯距离改变时,灯具的排布由于发生变化,不同的观测位置可能导致UGR值变化,在表格里面给出了可能变化的一个范围值。在表的最下方,是依据CIE117根据灯具实际的光通量对UGR进行修正,标准的UGR是按单灯1000lm来定义的,当灯具光通量越大时,UGR值越高。如果最下方的文字出现表格已按XXX lm光通进行修正,则表明上表数据已是根据灯具光通量修订过的数据。

表二

有了这样一个统一的假定空间后,灯具厂家的任务也就相对明确了,主要就是将4H8H的数值降低以提高舒适度,一般而言其小于19时就能符合要求,将这个要求转换为具体的光学指标时,主要就是抑制>65度的高角度光,如图十六,中蓝光电采取具有微细结构的板材,有效抑制改变光的传播方向,减少65度以上大角度光线,进而减少眩光来降低灯具的UGR值。与世面上传统的棱晶板不同,G系列板材在控制眩光的同时,光线截止更加柔和,有效解决了色散难题并降低了LED的表面亮度,提升了灯具整体的视觉美感。与传统防眩格栅设计相比,G系列防眩光板的微结构设计,不仅不降低灯具的光学性能,还可以为灯具增加高达15%的中心光强。

图十六

3.3 光学材料类别

3.3.1 反射铝Al

目前,主流的反光杯是铝旋压发光杯,表面做阳极氧化或真空电镀,这种反光杯,加工简单,采用铝片旋压成型,模具及产品单价比较便宜。但精度偏低,在高精度的应用上会采用注塑加真空溅镀的方式替代。传统灯盘产品的格栅反射器,也是由铝片拼装而成,随着逐步被面板灯取代,这种反射铝的应用已不常见。

3.3.2 聚碳酸脂PC

PC, 学名聚碳酸脂,这种材料透光率比PMMA稍低,3MM厚度时穿透率89%左右,但比PMMA耐高温,热变形温度在135度,且耐黄变,因此户外时常使用PC透镜,在作为防眩微结构板时,如果对强度及黄变要求高时也应该选用PC材料,由于成型温度高对工艺要求比较高,强度大对模具要求高,所以国内能稳定批量生产PC防眩板的只有中蓝等少数厂家。

3.3.3 聚甲基丙烯酸甲酯PMMA

PMMA,学名聚甲基丙烯酸甲酯,这种材料透光率比较高,3MM厚度时穿透率93%左右,但不能耐高温,温度不宜超过80度,且在92时会产生热变形,再者,随着使用时间的增加和紫外辐射,会产生黄变,使透过率降低,因此,PMMA透镜通常用于室内,其高透过的特点使得室内环境的面板灯的导光板一般也采用PMMA。

3.3.4聚苯乙烯PS

PS, 学名聚苯乙烯,这种材料透光率最低,3MM厚度时穿透率85%左右,热变形温度70~100°C , 长期使用温度为60~80°C,随着使用时间的增加和紫外辐射,会产生黄变,使透过率降低,材料偏脆,但是由于其优异的经济性,往往同面积的情况下直有PC价格的一半,因此在高性价比的面板控光产品中得到广泛的应用。

04

创新光学材料助力LED照明新需求

随着LED照明行业的发展和新需求的产生,作为照明输出控制的光学材料需要进一步在产品扁平化的同时解决防眩和蓝光危害等问题。光品质,扁平化,模块化,智能化的道路非坦途。如何兼顾新的需求和成本控制,很多问题都需要创新的手段来解决。

前面提到的光斑品质优化,眩光控制问题,平板防眩材料如NanoG系列可以很好发挥作用。通过新颖的光学设计,可以有效控制眩光,让产品更加扁平化。

折射的色散效应,透镜成像问题一直是困扰着行业,由于它们的存在很多光学手法难以实施,采用新颖的光学技术,使得色散后的光在极小的空间内重新调制组合,使得成像在极小的空间内叠加破除,使得不可能实施的手法变成可能。新型的光学控光方式如NanoD系列将给扁平化,模组化带来更多的想象空间。

(作者:廖尉钧)

 
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