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蒋 超泽
云知光特约讲师
蒋超泽光学工作室
广州松科电子有限公司事业部总经理
广东省光电技术协会专家委员
在LED照明的应用中,我们通常将灯具的光学设计分为一次光学、二次光学和三次光学,它们基本都有这几个作用和目的:
1.改变光型:决定光的方向和能量分布,实现指哪打哪的光应用,合理用光
2.提高LED光利用率
3.控制眩光、提供舒适的光环境
4.保持或者完善LED芯片光品质
一次光学
目的是提高芯片出光率和简单光学应用,由封装厂家来完成。具有以下特点:
1.角度多是120°(当然也有80°或者150°等其他角度)
2.光是四处发散的,不好驾驭
3.眩光厉害,刺眼
4.光强比较低
5.多用于简单的照明应用
二次光学
在一次光学的基础上,通过光学设计,把LED发出的光导到需要的方向,简称“指哪打哪”,通过控光来合理利用光,由光学厂家来实现。
二次光学具有以下特点:
1.利用透镜&反光杯等多种器件来实现目的
2.光可控:定向应用,随意驾驭、控光精准、指哪打哪
3.光舒服:减少眩光,降低光污染,提供舒适、健康的照明环境
4.节能:光的有效利用率可以得到明显的提升
5.能根据各种应用需求:相应的做出场景照明,一颗LED芯,二次光学
6.为生活提供色彩斑斓的光艺术
三次光学
通过结构来完善整体灯具配光,由灯具厂家来解决,比如防眩结构、黄光的优化等等。
其中,二次配光是对灯具出光影响很大的一个过程,下面,我们主要来说说它。在前面提到,二次配光主要是通过透镜和反光杯等光学器具来实现,二者有何区别?
透镜:反射技术+介质间的作用,既有物理反应又有化学反应。从效果来看,光斑从中间往外有一个过渡,控光做得比较好。
反光杯:纯反射控光,但相对来说副光斑大,大部分的光通过杯面反射出去,光型由杯面决定,另外还有一部分光没有经过反射杯而直接出去,就是我们所说的副光斑,所以一般来说,反光杯的副光斑会比透镜更大一些。
两者效率上差不多,从光强来说,同样的角度,透镜由于控光更好,其光强会比反光杯高出10%-20%,需要说明的是,两者并无好坏之分,只是应用不同。
▲反光杯光型
▲透镜光型
大致上,透镜从应用上还可以分为这三种:
1.Lens TIR透镜:优势是出光效率高。
2.FRESNEL 菲涅尔透镜:出光一致、均匀,光型漂亮,但光效特别低,一般只有60%到70%。
3.TIR+FRESNEL 透镜:结合的是两者的优势,既有漂亮的光型,而且光效也能达到90%。
透 镜
材质:PC或PMMA及玻璃,模压注塑成型
1、单颗透镜
按照尺寸,大致有这几类:
直径≤10mm,微小透镜,一般配3535,1616小灯珠,在博物馆或者精品店小射灯中有大量应用。
10 mm<直径<25.4mm,中型透镜,多配3535、5050等灯珠,在户外景观、洗墙、小型导轨灯、射灯应用比较多。
直径≥25.4mm,主要搭配COB、大功率灯珠灯一起使用。
2、多颗组合透镜
既有独立的,相互之间不受影响,例如:
又有相互影响,少一个或多一个,出光就会有差别的:
3、多重组合透镜
这种在舞台灯光大量应用,有的多达5个光学器件,通过多重收光、控光来达到精准的效果,相应的,射程也会比较远。
4、支架组合透镜
二次光学跟三次光学的组合
5、反射器
材质:PC或铝制,模压注塑成型及旋压成型
反光杯
主要有以下几种材质:
1、耐高温PC真空铝电镀
PC高温模压注塑成型,真空铝电镀。
出光角度8-90°,效率最高在30-45°,这种材质的反光杯效率很高,可达94%。
在做高端出口一般要求做检测,比如说百格,质检标准每个器件本体不能有5个黑或亮点。
2、耐温高反光白色PC
PC高温模压注塑成型,不需要电镀,无需后加工,成本低。
反射器自身外表内透光,光线均匀,反射率高达94%,配光输出角度60-80°。
缺点:扩散性特别大,有的光不受控,只做相对大角度
3、铝制旋压
制作相对简单,铝箔旋压成型后表面阳极氧化或电镀,造价低。
缺点:有短路风险。
总结一下,不同品类的反光杯、透镜材质都不一样:
TIR 透镜:PMMA、PC、硅胶
反光杯:PC、铝
菲涅尔透镜:PC、玻璃
下面,我们来对比这几类材质的优缺点:
PMMA vs PC
PMMA是我们最常见的透镜材料,相比有更好的透光性、更高的效率、更强的抗紫外线能力,长时间使用不发黄。当然,它的耐热性差一点,但它对热量的自我吸收比较低,所以从抗温上来讲不会比PC低太多。
▲户外UV测试
光学硅胶vs 玻璃
硅胶是一种很优势很突出的光学材料,具有:
1.抗热,耐高温耐低温:-45°-200°
2.抗UV效果比PMAA更好,甚至可以做成UV透镜(在以前只能用玻璃来做)
3.灵活性强,能解决玻璃塑料硬而脆影响光学特性的问题
4.无垫片需求,透镜本身自带密封,防水等级IP67,而玻璃需要另外加密封环
5.正确设计下无需额外的诸如螺丝之类的安装件
6.相比玻璃更轻、更韧、光学角度更精准
7.一般应用:UV透镜、耐高温透镜,在室内体育照明、工矿照明有广泛使用。
▲硅胶热老化和紫外线老化(4500 hours)
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本课程内容来源于云知光学堂,蒋超泽主讲课程《灯光光学入门基础》课程,由小知整理发布。本课程内容涵盖:
1.LED市场现状
2.LED室内照明产品分类
3.灯具的开发和分析方法
4.LED光源的发展时
5.各大LED品牌介绍
6.LED光学的定义及器件系统组成
7.LED光学器件系统组成
8.LED光学设计基础原理
9.灯具光学数据解读分析
10.筒灯与射灯的光学方案
11.立面照明的各种方式
12.案例讲解:工业照明灯具的选择
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