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工程师解析:高功率LED照明灯具光学设计

导读: 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。

  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(HID: High Intensity Discharge)非常优秀,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(Thyristor)以点弧位相角控制方式,改变灯泡的驱动电压实现调光效果,因此大型照明灯具的光源几乎都使用卤素灯。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,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(Aperture)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化碳的排放量,因此国外照明灯具业者已经舍弃传统低发光效率的白炽灯泡,改用高发光效率新世代发光二极管光源。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(YAG: Yttrium Aluminium Garnet)荧光体的白光发光二极管照明光源问世后,立即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。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。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 


  如图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。发光二极管的场合,单位发光二极管的光束很少,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。

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