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LED照明灯具的二次光学设计是什么?

2022-04-08 22:15:18 来源:本站   作者:超级管理员

二次光学设计是相对于一次光学设计而言的。LED照明的一次光学设计以封装材料的形状人手,设法提高 LED 的出光效率。LED的封装树脂透镜和内部的反射器等构成一次光学系统。LED 的一次光学设计主要分为折射式、反射式和折反射式 3 种方式。

折射式LED照明芯片发射的光线在壳体表面折射的情况如图5-12 所示。这种光线传播方式有 70%~80%的光从封装材料的侧面泄漏,且聚光面所包容的立体角有限,因此聚光效率很低。

反射式LED封装结构分为背向反射和正向反射两种类型,聚光面所包容的立体角较大,聚光效率较高。

折反射式LED是在正向反射式基础上加一个折射面,起到聚光作用,从而提高了聚光效率。

二次光学设计是为了提高灯具的有效光利用率而进行的设计。传统光源灯具的光利用率较低,这是因为传统光源四面发光,部分光被光源自身挡住,并且传统光源的发光点大,不易进行光学设计,灯具效率不高。而 LED 光源近似于点光源,且具有方向性,利用好 LED这两个特性是灯具光学设计的关键。通过 LED 阵列设计和二次光学设计,能使 LED照明灯具达到比较理想的配光曲线。

LED照明灯具的二次光学设计主要分为散射、聚光以及两者混合型等几种方式。

对于聚光型 LED,在需要实现大面积照明或显示时,需要通过添加散射板来完成。散射板原理与柱形折光板和梯形折光板相同。采用柱形折光板主要在一个方向扩展光束角,并且能使照明均匀,适合用于信号灯;采用梯形折光板,虽然也在一个方向扩展光束角,但是其光强分布不同于柱形折光板。图中两种散射板均为一维散射,如需要在两个方向散射,则需要使用两个方向的散射板,或复合到一块板上。

聚光型LED二次光学设计通过外加透镜或透镜阵列透镜来提高聚光能力和光强。

二次光学设计是提高 LED灯具有效光利用率的必要手段,具体的实现方法有很多,除了 LED+折光板和LED+透镜外,还有LED+反光杯和LED+反光杯+透镜以及按投射方式划分的单个 LED 模块投射和多个 LED 模块分区域投射等。

在 LED二次光学设计中,应当选用透光率高的透镜,以提高灯具的效率。透光率是 LED 透镜的一个重要技术参数,是指到达目标面上的光通量与 LED 光源所发出的光通量之比。

LED照明发出的光通过透镜时有 3 种损耗,即 LED 的正上方透镜表面所反射的光、被透镜吸收的光及通过透镜侧面被折射的光,如图 5-17 所示。目前**厂家生产的透镜透光率仅约89%,即 LED所发出的全部光通量在透镜中的损耗超过 10%。为保证 LED 灯具具有更好的光学特性,除了要求透镜的透光率高之外,还要注意透镜的照度均匀性、工作温度范围、抗紫外线和黄化率等因素。

由于LED接近理论上的“点光源”,在设计光学系统时,易于精确地定位发光点,解决光源的隐蔽性和最终灯具的多样化问题。LED 接近点光源给灯具的配光创造了很大的空间,包括高效率的 LED 灯具和特种配光应用。LED照明光源的特点给二次光学设计和灯具设计提供了很大的灵活性。例如在整体照明中,要求灯具亮度高,可以使用线性LED灯条,外加透过率较高的灯罩以提高出光效率;加入导光板技术可以使 LED 点光源成为面光源,提高其均匀性而防止眩光的发生;在一些辅助照明和层次照明中则需要一定的聚光效果,可以选择一些聚光透镜来达到光学要求。

此外,道路照明和交通信号灯等灯具的配光曲线需满足特殊的要求,这时 LED 二次光学设计还需要进行特别的考虑。

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