LED光学设计那点事儿
LED光学设计那点事儿
LED以“迅雷不及掩耳之势”席卷了整个照明市场，得益于其高效能，制造商迅速打开了这种新照明光源的销路。难以置信的“流明每瓦包”（lumens-per-watt packages）成为现实，照明分销商和终端用户对此都很感兴趣。Hubbell的固态照明SSL技术策略师Chris Bailey 说：“我们有些沉醉于效能”。
由于急于将产品推向市场，早期人们很少关注固态照明SSL的光学特性和它带来的机会。OEM商和灯具生产商设计的LED灯具，仍然与130年电光源史上的其他灯具有着一样的外观和功能。Bailey说：“由于当时技术远远不如今天，我们无法实现人与产品的互动。我们发明了光，但并没能往前再走一步。”当舒适、无眩光、均匀等照明需求提上议事日程，制造商与灯具设计师们都在重新审视自己要走的路。
差异解读
要了解LED与传统（灯丝）光源的不同，就必须知道它们的工作原理。二极管是LED照明两极产生的光子填充空穴产生电流发光。白炽灯是通过高温热辐射产生光。
图：LED发光原理来源：OMS lighting
光分布是不同光源之间的另一区别。传统光源的光分布呈360度的球型，而LED光源的分布是180度。Acuity照明品牌的研发副总裁Peter Ngai说：“因此，我们必须根据这一特性来定制光学器件。”
LED的定向性，前向发光的特点意味着改造传统灯具决不只是换个光源那么简单。比方，适用于白炽灯或紧凑型荧光灯的反射器对LED光源来说，可能完全没有效果。因为LED背面不会发光，反射器无光可以反射。Nagi说，在大多数改造的案例中，“光分布差异很大。如果要正确地用LED替换现有灯具，需要更换之前的反射器、透镜及其他内部光学器件，换成适合LED光源的。
数量也很关键。Bailey说，LED灯具使用多个二极管（相当于多个小光源），每一个点都“产生大量光通”，这就需要对它们的亮度进行控制并适当的重新分配，否则很容易产生不舒适眩光和像素化分布，而不是整体连续均匀。
图：LED像素化应用示例。在整灯中，需要尽量避免光源点的像素化。来源：OMS lighting
光学器件
对于传统灯具，制造商利用反射杯和透镜的结合将光扩散并投射到目标上。但是这些光学器件，比如磨砂玻璃碗（DOME），可能导致多达50%的光损失。普锐的资深应用专家Maria Topete说：大量的光被吸收掉了。
所以，在LED应用这场以效能之名的游戏中，那些使用传统光学器件的灯具供应商，“遭受了致命一击”。 Topete说，“所以在设计的时候，我们变得更加聪明了。那些看起来相似的光学方案，实际上有很多精益求精的想法及技术。”
LED与传统光源一样，想要消除眩光就必须扩大发光面积，使之漫射。Topete说道：“尽管OEM商想要从最小的封装里得到尽可能多的光通，但这可能引起视觉上的不适。
LED灯具通常具有两个光学层。一次光学，利用类似玻璃半球的透镜，按照预期的光度规范规束和分布光线；二次光学是进一步根据光分布及定向的需要，使光平行、扩散或者直射。这样二次光学时，就增加了光源的尺寸。也有相反的情况，一次光学用扩散器控光，二次光学则用透镜或反射杯控光。
图：LED光学设计结构图来源：网络
调整传统技术
Topete说，是否使用光学器件取决于包括应用场景在内的几个因素，但无论如何，高效利用光的关键点都是要“允许光线出射”并到达被照面。
由于LED的发光角度在180度以内，“在多数情况下，透镜是控制光输出的一种合适的方法”, Nagi这样说。LED的小尺寸也就意味着，完整的透镜要与光源的大小相差无几，并且可以应用紧凑型、或者菲涅尔透镜来校准光。这样一来，从源头上就可以减少光的损失及分散。
制造商们也在提高透镜的质量。Bailey说，我们正在改变透镜内表面，形成多个哑光面，从而大量消除由透镜内部表面反射造成的反射光。
扩散技术的提高，使得在保持发光效率的同时，可以更好的控制光。Topete说，与磨砂处理或内部填充散射微粒的玻璃或聚碳酸酯透镜不同，制造商可以根据LED的应用，开模定做形状及表面合适的塑料透镜，这样可能会减少10%左右的光流失。
图：一款使用棱镜散射器来使光线均匀分布的嵌入式LED灯盘。来源：Courtesy Hubbell Lighting
Bailey说，相对而言，LED向前散发的热量较少，因此可以在它的前方加上透镜或者扩散介质，与薄膜、薄片等材料一起配合应用。而这一点，显然是产生高热量的传统光源无法做到的。
灯具制造商及OEM商也会利用抛物型或双曲线型反射器来控制光线，防止光线直接进入视野，以此减少眩光。 但是，尽管抛物线型反射器使得足够的光线呈球面分布，但它可能会无法控制光源中心轴附近的光发生逸散，这对180度发光的LED来说可是很大的一部分。因此，一些灯具制造商尝试在抛物线型反射器内部使用不同方向的LED阵列，以此改进对光输出方向的控制。
未来新技术
现有的光学技术并不能全部满足灯具应用的需求。
制造商们正在挖掘折射技术的潜力。Bailey说，我们在研发棱镜来替换反射杯。全内反射（TIR)光学器件结合了反射杯及折射透镜，可以控制LED的直射及反射光。LED中心轴的光束可以进入并通过折射透镜，而全内反射表面可以控制光束范围。
图：LED的小尺寸允许灯具变得更小更高效，光学器件精度更高。上图为TIR全内反射透镜。来源：Courtesy Hubbell Lighting
为了有效利用内反射，灯具制造商也利用“光导材料”，来分配安装在灯具侧面的LED发出的强烈的光线。Nagi说，“光导材料的光学设计是为了更好地利用光线，光注入后，由于光导材料的全内反射特性，可以对它们进行重新分配。”
图：一种利用导光板的超薄灯箱的做法来源：网络
照明制造商也使用诸如聚碳酸酯和聚酯材料组成的全息膜来做实验。这些扩散板的微结构可以消除LED的成像和像素化效果，改变光的分布形成不同的光束角，有效地传输光线。
注塑成型的丙烯酸和塑料光学器件，也引起了LED和灯具制造商的兴趣。光学工程师们正在不断地试验透镜上的微表面和微特性。Bailey说：“透镜上的这些看起来微乎其微的特征，却对产品及光的呈现产生巨大的影响。”
图：一款使用高精度注塑成型丙烯酸洗墙透镜的筒灯。来源：Courtesy Hubbell Lighting
制造商们现在有了另一种的新技术，用来定制LED的光学器件：3D打印。挪威的Luxexcel公司的专利技术——“光学打印方法”——可以实现二极管级别的打印。利用改进的、兼容多种格式的工业级喷绘打印机，不用任何工具、任何模具，也不需要压铸，只需要CAD文件就可以打印出平面和3D的光学器件，包括透镜、棱镜、微结构，和多颜色、多表面的层压制品。Luxexcel公司的市场部经理说：全球已经有几家灯具厂家开始试验这一项技术。
图：Luxexcel公司打印的绿色线性棱镜来源：Courtesy Luxexcel
图：Luxexcel公司打印的球面微透镜，可以使光平行、发散或漫射，以及混色。来源：Courtesy Luxexcel
LED的尺寸、效能及可靠性开启了光学器件和灯具设计的大门，这一点制造商们刚刚开始意识到。与此同时，电致发光和远程荧光粉技术的进步同样让人惊叹。Bailey说，照明产业已经“浴光重生...这是一个振奋人心的时代，我们可以利用这种新技术，自由地创造美好的光。”
随着LED技术难题的初步攻克，照明产业开始借力LED，发挥其独特性能和潜力。
LED以“迅雷不及掩耳之势”席卷了整个照明市场，得益于其高效能，制造商迅速打开了这种新照明光源的销路。难以置信的“流明每瓦包”（lumens-per-watt packages）成为现实，照明分销商和终端用户对此都很感兴趣。Hubbell的固态照明SSL技术策略师Chris Bailey 说：“我们有些沉醉于效能”。
由于急于将产品推向市场，早期人们很少关注固态照明SSL的光学特性和它带来的机会。OEM商和灯具生产商设计的LED灯具，仍然与130年电光源史上的其他灯具有着一样的外观和功能。Bailey说：“由于当时技术远远不如今天，我们无法实现人与产品的互动。我们发明了光，但并没能往前再走一步。”当舒适、无眩光、均匀等照明需求提上议事日程，制造商与灯具设计师们都在重新审视自己要走的路。
差异解读
要了解LED与传统（灯丝）光源的不同，就必须知道它们的工作原理。二极管是LED照明两极产生的光子填充空穴产生电流发光。白炽灯是通过高温热辐射产生光。
图：LED发光原理来源：OMS lighting光分布是不同光源之间的另一区别。传统光源的光分布呈360度的球型，而LED光源的分布是180度。Acuity照明品牌的研发副总裁Peter Ngai说：“因此，我们必须根据这一特性来定制光学器件。”
LED的定向性，前向发光的特点意味着改造传统灯具决不只是换个光源那么简单。比方，适用于白炽灯或紧凑型荧光灯的反射器对LED光源来说，可能完全没有效果。因为LED背面不会发光，反射器无光可以反射。Nagi说，在大多数改造的案例中，“光分布差异很大。如果要正确地用LED替换现有灯具，需要更换之前的反射器、透镜及其他内部光学器件，换成适合LED光源的。
数量也很关键。Bailey说，LED灯具使用多个二极管（相当于多个小光源），每一个点都“产生大量光通”，这就需要对它们的亮度进行控制并适当的重新分配，否则很容易产生不舒适眩光和像素化分布，而不是整体连续均匀。
图：LED像素化应用示例。在整灯中，需要尽量避免光源点的像素化。来源：OMS lighting光学器件
对于传统灯具，制造商利用反射杯和透镜的结合将光扩散并投射到目标上。但是这些光学器件，比如磨砂玻璃碗（DOME），可能导致多达50%的光损失。普锐的资深应用专家Maria Topete说：大量的光被吸收掉了。
所以，在LED应用这场以效能之名的游戏中，那些使用传统光学器件的灯具供应商，“遭受了致命一击”。 Topete说，“所以在设计的时候，我们变得更加聪明了。那些看起来相似的光学方案，实际上有很多精益求精的想法及技术。”
LED与传统光源一样，想要消除眩光就必须扩大发光面积，使之漫射。Topete说道：“尽管OEM商想要从最小的封装里得到尽可能多的光通，但这可能引起视觉上的不适。
LED灯具通常具有两个光学层。一次光学，利用类似玻璃半球的透镜，按照预期的光度规范规束和分布光线；二次光学是进一步根据光分布及定向的需要，使光平行、扩散或者直射。这样二次光学时，就增加了光源的尺寸。也有相反的情况，一次光学用扩散器控光，二次光学则用透镜或反射杯控光。
图：LED光学设计结构图来源：网络调整传统技术
Topete说，是否使用光学器件取决于包括应用场景在内的几个因素，但无论如何，高效利用光的关键点都是要“允许光线出射”并到达被照面。
由于LED的发光角度在180度以内，“在多数情况下，透镜是控制光输出的一种合适的方法”, Nagi这样说。LED的小尺寸也就意味着，完整的透镜要与光源的大小相差无几，并且可以应用紧凑型、或者菲涅尔透镜来校准光。这样一来，从源头上就可以减少光的损失及分散。
制造商们也在提高透镜的质量。Bailey说，我们正在改变透镜内表面，形成多个哑光面，从而大量消除由透镜内部表面反射造成的反射光。
扩散技术的提高，使得在保持发光效率的同时，可以更好的控制光。Topete说，与磨砂处理或内部填充散射微粒的玻璃或聚碳酸酯透镜不同，制造商可以根据LED的应用，开模定做形状及表面合适的塑料透镜，这样可能会减少10%左右的光流失。
图：一款使用棱镜散射器来使光线均匀分布的嵌入式LED灯盘。来源：Courtesy Hubbell LightingBailey说，相对而言，LED向前散发的热量较少，因此可以在它的前方加上透镜或者扩散介质，与薄膜、薄片等材料一起配合应用。而这一点，显然是产生高热量的传统光源无法做到的。
灯具制造商及OEM商也会利用抛物型或双曲线型反射器来控制光线，防止光线直接进入视野，以此减少眩光。 但是，尽管抛物线型反射器使得足够的光线呈球面分布，但它可能会无法控制光源中心轴附近的光发生逸散，这对180度发光的LED来说可是很大的一部分。因此，一些灯具制造商尝试在抛物线型反射器内部使用不同方向的LED阵列，以此改进对光输出方向的控制。
未来新技术
现有的光学技术并不能全部满足灯具应用的需求。
制造商们正在挖掘折射技术的潜力。Bailey说，我们在研发棱镜来替换反射杯。全内反射（TIR)光学器件结合了反射杯及折射透镜，可以控制LED的直射及反射光。LED中心轴的光束可以进入并通过折射透镜，而全内反射表面可以控制光束范围。
图：LED的小尺寸允许灯具变得更小更高效，光学器件精度更高。上图为TIR全内反射透镜。来源：Courtesy Hubbell Lighting为了有效利用内反射，灯具制造商也利用“光导材料”，来分配安装在灯具侧面的LED发出的强烈的光线。Nagi说，“光导材料的光学设计是为了更好地利用光线，光注入后，由于光导材料的全内反射特性，可以对它们进行重新分配。”
图：一种利用导光板的超薄灯箱的做法来源：网络照明制造商也使用诸如聚碳酸酯和聚酯材料组成的全息膜来做实验。这些扩散板的微结构可以消除LED的成像和像素化效果，改变光的分布形成不同的光束角，有效地传输光线。
注塑成型的丙烯酸和塑料光学器件，也引起了LED和灯具制造商的兴趣。光学工程师们正在不断地试验透镜上的微表面和微特性。Bailey说：“透镜上的这些看起来微乎其微的特征，却对产品及光的呈现产生巨大的影响。”
图：一款使用高精度注塑成型丙烯酸洗墙透镜的筒灯。来源：Courtesy Hubbell Lighting制造商们现在有了另一种的新技术，用来定制LED的光学器件：3D打印。挪威的Luxexcel公司的专利技术——“光学打印方法”——可以实现二极管级别的打印。利用改进的、兼容多种格式的工业级喷绘打印机，不用任何工具、任何模具，也不需要压铸，只需要CAD文件就可以打印出平面和3D的光学器件，包括透镜、棱镜、微结构，和多颜色、多表面的层压制品。Luxexcel公司的市场部经理说：全球已经有几家灯具厂家开始试验这一项技术。
图：Luxexcel公司打印的绿色线性棱镜来源：Courtesy Luxexcel
图：Luxexcel公司打印的球面微透镜，可以使光平行、发散或漫射，以及混色。来源：Courtesy LuxexcelLED的尺寸、效能及可靠性开启了光学器件和灯具设计的大门，这一点制造商们刚刚开始意识到。与此同时，电致发光和远程荧光粉技术的进步同样让人惊叹。Bailey说，照明产业已经“浴光重生...这是一个振奋人心的时代，我们可以利用这种新技术，自由地创造美好的光。”
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