高功率LED照明灯具光学设计

发布日期: 九五至尊娱乐场老品牌

  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(qiáng diào)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非常优秀(说明:出色、非常好),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,一般都使用晶闸管以点弧位相角控制方式,改变灯泡的驱动电压(voltage)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。led灯是一块电致发光的半导体材料芯片,用银胶或白胶固化到支架上,然后用银线或金线连接芯片和电路板,四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,最后安装外壳,所以 LED 灯的抗震性能好。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(organization),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(Oxygen)化碳的排放量,因此国外(foreign)照明灯具业者已经舍弃传统(chuán tǒng)低发光效率的白炽灯泡(原理:灯丝通电发热发光),改用高发光效率新世代发光二极管(Light Emitting Diode)光源。led台灯就是以LED即发光二极管为光源的台灯,LED是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。其使用的LED照明技术是第三代照明技术。LED台灯使用产生的蓝光会对眼睛造成伤害,但也有一系列优点。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荧光体的白光发光二极管照明光源问世后,马上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(efficiency)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(use)。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(fluorescence)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(Emerson)。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。

  LED灯具的设计

  灯具结构(Structure)

  如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。发光晶体二极管的场合,单位(unit)发光二极管(Light Emitting Diode)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(control)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(system),利用镜片数组将发光二极管产生的光线准直化,接着再透过聚光镜片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(Emerson)。

  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2.5万流明的光束,使用这种光源的照明灯具若转换(conversion)成目前LED的容量(Capacity),效率上几乎无法实现。2与3是研究人员根据以上大型照明灯具要求的特性(characteristic),设计的照明灯具具体结构(Structure)。

  整体结构如所示,九五至尊娱乐场老品牌呈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(向电子设备提供功率的装置)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(chǎng hé),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非球面方程式,以最小自乘法进行与量测值的优化。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

  H:与光轴直交方向的高度

  C:曲率半径(radius)的逆数

  K:Koninck系数

  A:高次非球面项

  4是已经模型化的LED镜片、发光部与LED整体的模型;5是使用上述模型利用仿真(simulation)分析(Analyse)获得的配光分布与实测值;6是实际光源模块(mo kuai)外观。led台灯又称固态照明,作为继白炽灯、荧光灯后的第三代照明技术,具有节能、环保、安全可靠的特点,固态光源是被业界看好的未来十年替换传统照明器具极具潜力的新型光源,代表照明技术的未来。发展新固态照明,不仅是照明领域的革命,而且符合当前政府提出的“建设资源节约型和环境友好型社会”的要求。

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