傳統(tǒng)照明光源大多使用燈與白熾燈泡,基本大型照明燈具非常強(qiáng)調(diào)配光的控制性,單純考慮發(fā)光效率的場合,熒光燈與高強(qiáng)度氣體放電燈(HID: High Intensity Discharge)非常優(yōu)秀,不過高強(qiáng)度氣體放電燈的電氣調(diào)光范圍卻很狹窄。相較之下熒光燈的光學(xué)系統(tǒng)照射特定領(lǐng)域時,若與鹵素?zé)舻逆u絲比較,它的發(fā)光部位非常大,無法高效率從光源收斂光線。
此外大型照明燈具要求0~100%柔順的調(diào)光,一般都使用晶閘管(Thyristor)以點(diǎn)弧位相角控制方式,改變燈泡的驅(qū)動電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)光效果,因此大型照明燈具的光源幾乎都使用鹵素?zé)?。大型照明燈具并不要求均勻照射物體,通常都是依照需求使用復(fù)數(shù)明用燈具,改變照射方向與照射范圍,因此大型照明燈具大多設(shè)有照射范圍調(diào)整機(jī)構(gòu),照射范圍的調(diào)整分成:改變燈泡與鏡片的間隔;將光收斂至開口(Aperture)處,改變投射開口的鏡片群焦距。實(shí)際上必須根據(jù)明用燈具的種類與用途使用。
最近幾年地球環(huán)保聲浪日益高漲,大型照明燈具也要求省能源與降低二氧化碳的排放量,因此國外照明燈具業(yè)者已經(jīng)舍棄傳統(tǒng)低發(fā)光效率的白熾燈泡,改用高發(fā)光效率新世代發(fā)光二極管光源。90年日亞化學(xué)中村教授開發(fā)高輝度藍(lán)光發(fā)光二極管,96年高輝度藍(lán)光發(fā)光二極管組合釔鋁石榴石(YAG: Yttrium Aluminium Garnet)熒光體的白光發(fā)光二極管照明光源問世后,立即被視為次世代光源成為全球注目的焦點(diǎn)。
白光發(fā)光二極管發(fā)光效率的提升與高功率化,除了一般室內(nèi)照明之外,還被當(dāng)成大型照明燈具的光源使用。一般認(rèn)為LED的調(diào)光特性非常優(yōu)秀,進(jìn)行調(diào)光動作時色度變化與反應(yīng)特性比傳統(tǒng)鹵素?zé)舾翡J,然而大型照明燈具用發(fā)光二極管光源,必須解決以下課題,分別是:LED單體的光束非常少;藍(lán)光LED組合釔鋁石榴石熒光體的白光發(fā)光二極管,它的配光差異極易造成照射面發(fā)生色不均勻問題。使用復(fù)數(shù)LED的場合,各LED之間的分布非常大。接著本文要以大型照明燈具為范例,深入探討高功率發(fā)光二極管照明燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)。
LED燈具的設(shè)計(jì)
燈具結(jié)構(gòu)
如圖1所示使用鹵素?zé)艚?gòu)光學(xué)系統(tǒng)時,大多利用橢圓形反射鏡將光線集中至開口處投影。發(fā)光二極管的場合,單位發(fā)光二極管的光束很少,當(dāng)作照明光源使用時必須使用數(shù)個~數(shù)十個發(fā)光二極管,因此復(fù)數(shù)光源產(chǎn)生的光線控制非常重要。
復(fù)數(shù)LED當(dāng)作配配光控制型照明燈具使用時,必須結(jié)合高功率發(fā)光二極管與光學(xué)系統(tǒng),利用鏡片數(shù)組(Array)將發(fā)光二極管產(chǎn)生的光線準(zhǔn)直化(Collimate),接著再透過聚光鏡片(Condenser Lens)使光線在開口處混合集光,最后再利用成像光學(xué)系統(tǒng)使該開口光源影像變倍投影,進(jìn)行所謂的“配光控制”。此外使用鏡片數(shù)組與聚光鏡,還可以消除照射面的亮度不均與色不均等問題。
大型照明燈具大多使用1000W左右的鹵素?zé)簦?000W的鹵素?zé)粝喈?dāng)于2.5萬流明(lm)的光束,使用這種光源的照明燈具若轉(zhuǎn)換成目前LED的容量,效率上幾乎無法實(shí)現(xiàn)。圖2與圖3是研究人員根據(jù)以上大型照明燈具要求的特性,設(shè)計(jì)的照明燈具具體結(jié)構(gòu)。
整體結(jié)構(gòu)如圖所示,LED光源呈8×8合計(jì)64個排列,封裝在已經(jīng)考慮散熱的基板上,8個串聯(lián)連接的電路則以35mA電流的定電流電源驅(qū)動。此外基于提高散熱考慮,利用軸流冷卻風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制空冷。
上述大型照明燈具,光學(xué)組件接近光源設(shè)置的場合,必須考慮發(fā)光二極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型化。模型化首先量測發(fā)光二極管的形狀與熒光體的尺寸。鏡片形狀的模型化使用式(1)非球面方程式,以最小自乘法進(jìn)行與量測值的優(yōu)化(Fitting)。發(fā)光部位則進(jìn)行熒光體發(fā)光的模型化,各部位的發(fā)光強(qiáng)度則與激發(fā)強(qiáng)度呈比例。
Z:光軸方向的下陷(Sag)
H:與光軸直交方向的高度
C:曲率半徑的逆數(shù)
K:Koninck系數(shù)
A:高次非球面項(xiàng)
圖4是已經(jīng)模型化的LED鏡片、發(fā)光部與LED整體的模型;圖5是使用上述模型利用仿真分析獲得的配光分布與實(shí)測值;圖6是實(shí)際光源模塊外觀。
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