大功率LED燈具的配光設(shè)計(jì)

趙志成

摘 要：隨著LED光源技術(shù)的不斷發(fā)展，其節(jié)能環(huán)保、使用壽命長等方面的優(yōu)點(diǎn)得到了人們關(guān)注。當(dāng)前，大功率LED技術(shù)達(dá)到了快速的發(fā)展，但是其在配光設(shè)計(jì)方面存在一些問題，基于此本文對(duì)大功率LED燈具的配光設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：大功率LED；燈具；配光設(shè)計(jì)

大功率LED是第四代電光源，將其應(yīng)用于照明領(lǐng)域，具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。其作為“綠色照明光源”，具有良好的節(jié)能性能，綠色環(huán)保，而且還具有光照均勻、使用壽命長以及靈活方便等多方面的優(yōu)點(diǎn)，由于具備的這些優(yōu)點(diǎn)，其在照明領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用空間。隨著LED光源的應(yīng)用，對(duì)于降低能源的消耗，緩解用電矛盾具有重要的意義，而且其還有利于資源節(jié)約型社會(huì)的建設(shè)。當(dāng)前大功率高亮度LED光源，還是一項(xiàng)剛剛發(fā)展起來的技術(shù)，在實(shí)際的應(yīng)用中還面臨著多方面的問題，如散熱以及電源驅(qū)動(dòng)，尤其重要的是，還需要解決好燈具的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，這一問題決定這燈具的使用效果，基于此本文對(duì)大功率LED燈具的配光設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 大功率 LED 在我國的應(yīng)用

當(dāng)前我國正在努力進(jìn)行節(jié)能減排，各領(lǐng)域都在提高能源的利用效率，在這樣的背景下，半導(dǎo)體照明已經(jīng)得到了人們的廣泛關(guān)注，并且被列入了節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)示范項(xiàng)目。LED本身就是一種半導(dǎo)體材料，具有綠色環(huán)保、節(jié)能等多方面的特點(diǎn)，因此大功率LED在我國擁有非常大的應(yīng)用潛力，能夠得到廣泛的推廣和應(yīng)用。當(dāng)前，LED光源主要在景觀裝飾、汽車照明、顯示屏、背光源等方面具有重要應(yīng)用，而隨著LED技術(shù)的發(fā)展，大功率LED技術(shù)出現(xiàn)并快速發(fā)展，進(jìn)一步拓展了LED光源的應(yīng)用，在一些特殊用途的專用照明領(lǐng)域也獲得了應(yīng)用。但是就目前的市場情況而言，大功率LED照明設(shè)備還存在一些制約其廣泛應(yīng)用的因素，包括散熱、電源驅(qū)動(dòng)以及配光設(shè)計(jì)等方面，而且其還存在發(fā)光效率低，而成本偏高的問題，在這樣的情況下，大功率LED設(shè)備主要在隧道和道路領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，還沒有實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。

2 大功率 LED 照明燈具的配光設(shè)計(jì)

所謂配光，其實(shí)是指光源在空間各個(gè)方向上的光強(qiáng)分布，在進(jìn)行大功率LED照明燈具的配光設(shè)計(jì)時(shí)，要確保光線的分布達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，使光線盡量投射到相關(guān)地方的各個(gè)區(qū)域，滿足照明的需求。當(dāng)前，大功率LED照明燈具在應(yīng)用過程中面臨的一個(gè)顯著問題是，其配光設(shè)計(jì)必須要準(zhǔn)確到位，這樣其才能夠取代傳統(tǒng)的照明燈具，獲得更加廣泛的應(yīng)用，因此加強(qiáng)對(duì)于大功率LED燈具的配光設(shè)計(jì)研究，對(duì)于大功率LED燈具的發(fā)展具有重要的意義、

在進(jìn)行LED燈具的時(shí)，第一步就要確定燈具的應(yīng)用場合和種類，然后根據(jù)實(shí)際的要求確定燈具應(yīng)滿足的性能要求，然后基于其進(jìn)行燈具配光方案的制定，同時(shí)還需要確認(rèn)燈具的測試和驗(yàn)證方案，從而在完成開發(fā)工作之后對(duì)其進(jìn)行綜合論證，并對(duì)這個(gè)過程中存在的問題進(jìn)行修改，解決存在的問題后可以結(jié)束試制階段，對(duì)燈具進(jìn)行小批量的生產(chǎn)，這樣就完成了整個(gè)燈具開發(fā)設(shè)計(jì)的過程。其中，配光設(shè)計(jì)是最為核心的步驟，下面大功率LED設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹：

2.1 按照燈具的使用環(huán)境來進(jìn)行燈具色溫的確定

當(dāng)前有很多種方法可以使大功率LED光源實(shí)現(xiàn)發(fā)射白光，其中最為常用的，技術(shù)最為成熟的則是在GaN 基藍(lán)光芯片上涂上一層黃色的熒光粉這一方法。通過應(yīng)用這一方法，能夠使得一部分藍(lán)光激發(fā)熒光粉，從而產(chǎn)生黃綠色的光，而直接透過熒光粉的則為藍(lán)光，二者混合之后就會(huì)產(chǎn)生白光。就當(dāng)前我國企業(yè)生產(chǎn)的大功率LED光源的情況而言，色溫普遍不夠理想，這主要是由于我國企業(yè)還沒有掌握熒光粉的核心技術(shù)，而國際上對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行壟斷，導(dǎo)致國內(nèi)的技術(shù)水平不足。另外，由于不同地域的人，對(duì)于熒光粉的感受存在一定的差異性，因，在燈具設(shè)計(jì)時(shí)，還需要根據(jù)應(yīng)用場合的不同，來選擇和場合最適合的色溫的光源。一般大功率LED光源的生產(chǎn)廠家，都會(huì)對(duì)其生產(chǎn)的光源進(jìn)行分檔，根據(jù)其提供的數(shù)據(jù)就可以計(jì)算出色溫。

光源顯現(xiàn)在物體上的顏色，可以根據(jù)光源的顯色指數(shù)進(jìn)行判斷，而色溫對(duì)于顯色指數(shù)存在一定的影響，不同的色溫所對(duì)應(yīng)的光源的顯色指數(shù)也存在一定程度的差異。通?？梢詫坠夥譃槿齻€(gè)檔，分別是暖色、冷色和暖白光，這三種光分別具有不同的特點(diǎn)，因此其應(yīng)用的場合也有所區(qū)別。如，暖色光的特點(diǎn)是，其能夠讓人感受到溫馨和舒適，因此其經(jīng)常被用于家庭、賓館和宿舍等場合；而冷色光則非常的明亮，有助于讓人保持注意力，因此在辦公室和圖書館等場合應(yīng)用的比較多；而暖白色光則具有讓人身心愉悅，給人明朗之感的特點(diǎn)，因此最適合被應(yīng)用在醫(yī)院和餐館等。綜上所述，在確定燈具的色溫時(shí)，要根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用場所來確定，從而確保有良好的燈光效果，滿足人們的實(shí)際需求。

2.2 燈具的總光通量的確定

光通量指的是人眼感受到的輻射功率，進(jìn)行燈具的總光通量計(jì)算，并不是簡單的過程，這是由于影響光通量的因素有很多，包括光源的流明維持率，這也是最為直接的影響因素。另外反射罩、路面反射系數(shù)、燈具的效率和維護(hù)系數(shù)都會(huì)對(duì)其造成顯著的影響。在進(jìn)行總光通量的計(jì)算時(shí)，應(yīng)在保證總功率盡可能低的前提下，獲得較高的流明數(shù)，燈具的總光通量不僅受到單顆燈的光通量有關(guān)，還和燈具的安裝距離、維護(hù)系數(shù)以及配光系統(tǒng)有著比較大的關(guān)系。光學(xué)系統(tǒng)是非常復(fù)雜的，因此在進(jìn)行總光通量的計(jì)算時(shí)，不僅要考慮到理論計(jì)算，而且還要通過參考已知光通量的LED燈具，以及傳統(tǒng)燈具的光通量來最終進(jìn)行確定。通過進(jìn)行綜合分析，獲得的燈具總通光量計(jì)算公式為：燈具總通光量 = 單顆光源的有效通量 × 光源數(shù)量 × 利用系數(shù)。在計(jì)算公式中，利用系數(shù)這一值受到配光系統(tǒng)的光損以及燈罩透光率等因素的影響。

2.3 理想的配光方案的確定

通過制定出理想的配光方案，可以最大程度上提高燈光效果，使燈具可以在不同領(lǐng)域中都發(fā)揮出良好的作用。在進(jìn)行配光方案的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)各種信息和材料及進(jìn)行充分的考慮，確保其能夠發(fā)揮出良好的效果。配光曲線，是表示燈具發(fā)射出的光，在空間中光強(qiáng)分布情況的，其可以反映出燈具的很多信息，包括光源數(shù)量、功率、光通量、燈具效率以及功率因數(shù)等等。

照明燈具的光強(qiáng)分布，主要是借助燈具的反光罩、透光棱鏡、格柵以及反光罩等對(duì)燈光進(jìn)行控制來實(shí)現(xiàn)的。其中，最基本的控光部件就是發(fā)射罩，這一部件的反射比越高，則具有更強(qiáng)的反射能力，也就具更強(qiáng)的控光能力。當(dāng)前，最常用的燈罩材料包括不銹鋼板、拋光氧化鋁等，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)分布的準(zhǔn)確控制，需要按照反射定律，來進(jìn)行反射罩的形狀和尺寸的設(shè)計(jì)。通過燈具的配光，可以對(duì)燈具的照射范圍、方向等進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)還可以計(jì)算出有效的安裝高度、射程以及照射范圍內(nèi)的照度等相關(guān)信息。

結(jié)論

大功率LED光源具有多方面的優(yōu)點(diǎn)，不僅節(jié)能環(huán)保，而且具有較長的使用壽命，因此在未來大功率LED燈具會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。就目前而言，其在配光方面還存在一定的問題，需要進(jìn)一步的進(jìn)行研究，對(duì)其進(jìn)行完善，從而提高其性能，使其獲得更加廣泛的應(yīng)用。

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