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        高功率LED照明燈具光學設計

        發布日期: 泛科科技

          傳統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調(qiáng diào)配光的控制性,單純考慮發光效率的場合,熒光燈與高強度氣體放電燈非常優秀(解釋:出色、非常好),不過高強度氣體放電燈的電氣調光范圍卻很狹窄。相較之下熒光燈的光學系統照射特定領域時,若與鹵素燈的鎢絲比較,它的發光部位非常大,無法高效率從光源收斂光線。

          此外大型照明燈具要求0~100%柔順的調光,一般都使用晶閘管以點弧位相角控制方式,改變燈泡的驅動電壓(voltage)實現調光效果,因此大型照明燈具的光源幾乎都使用鹵素燈。led燈是一塊電致發光的半導體材料芯片,用銀膠或白膠固化到支架上,然后用銀線或金線連接芯片和電路板,四周用環氧樹脂密封,起到保護內部芯線的作用,最后安裝外殼,所以 LED 燈的抗震性能好。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數明用燈具,改變照射方向與照射范圍,因此大型照明燈具大多設有照射范圍調整機構(organization),照射范圍的調整分成:改變燈泡與鏡片的間隔;將光收斂至開口處,改變投射開口的鏡片群焦距。實際上必須根據明用燈具的種類與用途使用。

          最近幾年地球環保聲浪日益高漲,大型照明燈具也要求省能源與降低二氧(Oxygen)化碳的排放量,因此國外(foreign)照明燈具業者已經舍棄傳統(chuán tǒng)低發光效率的白熾燈泡(原理:燈絲通電發熱發光),改用高發光效率新世代發光二極管(Light Emitting Diode)光源。led臺燈就是以LED即發光二極管為光源的臺燈,LED是一種固態的半導體器件,它可以直接把電轉化為光。其使用的LED照明技術是第三代照明技術。LED臺燈使用產生的藍光會對眼睛造成傷害,但也有一系列優點。90年日亞化學中村教授開發高輝度藍光發光二極管,96年高輝度藍光發光二極管組合釔鋁石榴石熒光體的白光發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。

          白光發光二極管發光效率(efficiency)的提升與高功率化,除了一般室內照明之外,還被當成大型照明燈具的光源使用(use)。一般認為led的調光特性非常優秀,進行調光動作時色度變化與反應特性比傳統鹵素燈更敏銳,然而大型照明燈具用發光二極管光源,必須解決以下課題,分別是:LED單體的光束非常少;藍光LED組合釔鋁石榴石熒光(fluorescence)體的白光發光二極管,它的配光差異極易造成照射面發生色不均勻問題(Emerson)。使用復數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,深入探討高功率發光二極管照明燈具的光學設計。

          LED燈具的設計

          燈具結構(Structure)

          如1所示使用鹵素燈建構光學系統時,大多利用橢圓形反射鏡將光線集中至開口處投影。發光晶體二極管的場合,單位(unit)發光二極管(Light Emitting Diode)的光束很少,當作照明光源使用時必須使用數個~數十個發光二極管,因此復數光源產生的光線控制非常重要。

          復數LED當作配配光控制(control)型照明燈具使用時,必須結合高功率發光二極管與光學系統(system),利用鏡片數組將發光二極管產生的光線準直化,接著再透過聚光鏡片使光線在開口處混合集光,最后再利用成像光學系統使該開口光源影像變倍投影,進行所謂的“配光控制”。此外使用鏡片數組與聚光鏡,還可以消除照射面的亮度不均與色不均等問題(Emerson)。

          大型照明燈具大多使用1000W左右的鹵素燈,1000W的鹵素燈相當于2.5萬流明的光束,使用這種光源的照明燈具若轉換(conversion)成目前LED的容量(Capacity),效率上幾乎無法實現。2與3是研究人員根據以上大型照明燈具要求的特性(characteristic),設計的照明燈具具體結構(Structure)。

          整體結構如所示,LED光源呈8×8合計64個排列,封裝在已經考慮散熱的基板上,8個串聯連接的電路則以35mA電流的定電流電源(向電子設備提供功率的裝置)驅動。此外基于提高散熱考慮,利用軸流冷卻風扇進行強制空冷。

          上述大型照明燈具,光學組件接近光源設置的場合(chǎng hé),必須考慮發光二極管內部結構模型化。模型化首先量測發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非球面方程式,以最小自乘法進行與量測值的優化。發光部位則進行熒光體發光的模型化,各部位的發光強度則與激發強度呈比例。

          Z:光軸方向的下陷

          H:與光軸直交方向的高度

          C:曲率半徑(radius)的逆數

          K:Koninck系數

          A:高次非球面項

          4是已經模型化的LED鏡片、發光部與LED整體的模型;5是使用上述模型利用仿真(simulation)分析(Analyse)獲得的配光分布與實測值;6是實際光源模塊(mo kuai)外觀。led臺燈又稱固態照明,作為繼白熾燈、熒光燈后的第三代照明技術,具有節能、環保、安全可靠的特點,固態光源是被業界看好的未來十年替換傳統照明器具極具潛力的新型光源,代表照明技術的未來。發展新固態照明,不僅是照明領域的革命,而且符合當前政府提出的“建設資源節約型和環境友好型社會”的要求。

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