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浅谈LED照明的防眩控光材料

7. 光斑矫正,目前除了定位于博物馆等高端场景的国际大厂,国内重视度还不够。透镜会引起如下图的色散发生同时也会放大光源一次配光的缺陷,照成光斑颜色不均匀,边缘发黄,甚至五彩斑斓见图8。

图八

矫正也需解决主副光斑过度中存在的问题。大角度出光的情况下,采用磨砂玻璃、布纹玻璃,甚至是扩散板来优化,但这些措施都会损失光效,高的甚至达到40%,同时光束角会明显变大。针对于小角度射灯传统方案无疑是失效的,因为配光被破坏了。针对小角度射灯矫正光斑现有方案是采用国外5度,10度膜,主要存在的问题有:光损失较大,一般超过15%;膜采用的工艺是PET镀微结构涂层,耐磨性欠佳,需同时使用保护板,系统光学效率会进一步下降; 该工艺基材薄,需要额外固定措施,防止卷曲后带来的光型破坏。目前中蓝光电采用的是纳米针刺模专利方案,更加环保,并且解决了连续生产,耐磨,易固定,无需再次防护的问题,在该领域处于领先地位。

针对小角度灯具,我们来探究几个概念,方便理解和解决现存问题。

光束角与光场角,CIE和中国照明协会均采用光束角来定义灯具角度(50%最大光强点与原点连线之间的夹角),这个应用最为广泛,对于室内产品,一般采用光束角,因为灯具离照射面距离远,作得好的产品光强50%以下的副光斑所占的光通量一般不超过灯具总光通量的5%,所以对视觉影响小。随着照明品质要求提升,对于离墙近的小,中角度筒灯,射灯仍具挑战。

光场角是IES针对于投光灯的定义(10%最大光强点与原点之间的夹角),由于光斑会呈现于被照物,特别是贴墙安装的户外灯具一般采用光场角来定义。

见图九,对应的光束角都是30度,但光场角不同,见下图箭头从左至右对应的副光斑越来越大,同时配光曲线本身差异,呈现的视觉感受(均匀度,边缘锐利度)完全不同的。这都是光学设计时需要注意的点。

图九

灯具实际效果,见图10。光束角与光场角分别形成了主光斑及副光斑,副光斑外还存在一个非常大的光斑,这又是什么呢?

图十

光品质升级的背景下,理解好这些光斑及如何处理他们,已经是照明行业必须解决的问题。见图11,主副光斑外,透镜表面,及灯具防护玻璃表面的反射杂散光效应形成的弱光面光源被灯具硬截光后,分别形成了二级副光斑及三级副光斑(COB表面亮度更大,所以COB反射器方案形成的二级副光斑更加明显,这回答了上面多余光斑的问题),如果不善加处理这些光斑,其对高品质光的破坏将是灾难性的,如图12。

图十一

图十二

3.2 配光的不同技术手段

大角度光学系统,因为主光斑大,副光斑被覆盖隐藏, 矛盾并不突出。

接下来介绍一下实际实现二次配光的主要光学器件:反射器配光,透镜配光,混光腔配光,组合控光以及防眩板材。

反射器配光

反射的方法可以完成大部分配光,理论上甚至可以做到平行配光,如图13,但在实际设计中,因长度限制,小角度应用受限,灯具体积也难控制。同时由于大量光直接出射,复杂光型比较难实现。在LED时代,其更多用于防眩,如黑光反射器。

在传统光源时代,受限于光源腔温度高(HID射灯光源腔玻璃表面温度可能接近200摄氏度),材料一般采用铝片旋压而成,表面作阳极化处理,高端产品进行铝或银溅射处理。但旋压工艺精度低,对原材料一致性要求很高(旋压后应力回弹变形),对设计的鲁棒性要求更高,使得传统时代,主流的12度,24度射灯产品及路灯产品主要控制 在国际一线知名品牌手中。随着LED介入,光学腔温度降低,结合注塑精度高,生产易控的特点,目前已无技术瓶颈,在各种射灯(小角度需集合透镜使用),筒灯产品,特别是COB光源为主的产品中得到广泛应用,但小角度应用中存在副光斑过大问题。

图十三

透镜配光

透镜的种类很多,目前应用最为广泛的有TIR透镜,折射透镜,菲聂耳透镜。下面简答分别介绍一下。

TIR透镜

标准的透镜最经典的就是圆锥形透镜,这些透镜很大一部分依赖于全内透反射所以称之为TIR(total Internal Reflection)透镜。通常TIR透镜是轴对称设计提供一个漂亮的圆形光斑,既可以组合成多颗LED成为阵列透镜也可以单颗加支架以方便安装和控光。见图十四。

图十四

TIR透镜的优点是显而易见的,所有光收入光学器件,同时,上表面可以作各种处理,如珠面,磨砂,条纹拉伸,布纹柔光,上表面菲聂耳化等处理,有利于精准配光。但是对于COB产品,透镜体积巨大,变种产品-透明外锥表面作真空溅镀处理,用反射代替折射来降低产品尺寸。

折射透镜

在特殊光型的配光中,应用较多。2个光学折射面组合的方式可以实现复杂配光,其对设计要求比较高。见图15。

图十五

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