01 照明新的發(fā)展方向
創(chuàng)新分兩類,需求推動(dòng)與技術(shù)推動(dòng)。LED作為最新的光源技術(shù)將把照明推向何處?
光源是照明的源頭。在很長一段時(shí)間人類對(duì)光源的應(yīng)用主要體現(xiàn)在自然光上,催生了許多偉大的建筑文化,不展開討論。就人造光源而言,經(jīng)歷了光火同源,光溫同源(黑體),再到光子理論的三大主要階段。光火同源階段,照明的主要任務(wù)是如何把火燒得更旺,古人通過尋找更易燃燒的松枝代替普通的木材來創(chuàng)新,發(fā)現(xiàn)氧化說后,創(chuàng)新多在于把氧氣更好地混入可燃物上,倫敦街頭的瓦斯燈很好見證了先行者的努力。隨著認(rèn)識(shí)進(jìn)一步發(fā)展,光和火分離,耳熟能詳?shù)膼鄣仙瑢?shí)驗(yàn)?zāi)透邷夭牧蟻硖岣吖庠磯勖?,是那一代照明人的歷史使命。一代理論一代技術(shù)一代產(chǎn)品,光子理論背景下,誕生了熒光燈,金鹵燈和偉大的LED,為什么說其偉大? 因?yàn)檫@是人類第一次不用高溫來間接獲取光,第一次實(shí)現(xiàn)了從電子到光子無中間態(tài)轉(zhuǎn)化。好處顯而易見,中間層級(jí)的減少意味著高效,今天的LED,160lm/w的效率已然不是什么高科技,就其理論極限355lm/W(外量子效率100%) 而言既方興未艾又任重道遠(yuǎn);繞過了高溫這一環(huán)節(jié),亦帶來了光源壽命的顯著提升;熒光燈需要慢慢變到最亮,金鹵燈需要啟動(dòng)時(shí)間,都源于溫升需要時(shí)間,而LED毫秒級(jí)點(diǎn)亮; 溫度的下降,器件的減少,使得LED的體積明顯變小。
總結(jié)特征如下:1. 高效;2. 長壽;3. 低溫;4. 響應(yīng)快; 5. 小。
高效,長壽將繼續(xù)發(fā)展,但非主戰(zhàn)場(chǎng)。因?yàn)榻?jīng)濟(jì)性,光效進(jìn)一步提升帶來的好處有限,壽命結(jié)合需求(裝修期) 也基本滿足,技術(shù)突破的難度日益增大。需求的滿足伴生需求的升級(jí),越來越多的地方,已經(jīng)不再單純強(qiáng)調(diào)光效,而對(duì)哪里要有光-精準(zhǔn)的配光,有什么樣的光-顯色指數(shù),色溫,全色域指數(shù),色容差,光斑形態(tài),光斑過度,主輔光斑,眩光,提出了更高的要求。
響應(yīng)快,電子器件化的同時(shí)照明產(chǎn)品本身通電,布置網(wǎng)格化的特點(diǎn)結(jié)合大熱的物聯(lián)網(wǎng)也將推動(dòng)產(chǎn)品的升級(jí)。
結(jié)合低溫,小。行業(yè)作了很多創(chuàng)新,但還不夠,LED照明產(chǎn)品的形式和傳統(tǒng)時(shí)代并無本質(zhì)區(qū)別。其特點(diǎn)使得透鏡(傳統(tǒng)時(shí)代多為反射器)成為主要的配光工具。但燈具體積,形式還沒有走出傳統(tǒng)燈具的影子。這將是LED照明發(fā)展的最主要突破口之一,溫度低的特點(diǎn),使更多的材料得以發(fā)揮作為,體積小的特點(diǎn)讓燈具形式多樣化,使用愈發(fā)靈活,但也提出了更高的要求,比如:隱蔽性-見光不見燈;同源多樣性-同款多配光。都呼喚產(chǎn)品小型化,模塊化,而發(fā)光面不是越小越好,因此小型化的進(jìn)化方向應(yīng)是扁平化。
追本溯源得出LED發(fā)展的四個(gè)發(fā)展方向: 一、光品質(zhì),二、扁平化,三、模塊化,四、智能化
02 LED照明面臨的挑戰(zhàn)
LED光源長壽和高效基本符合要求,但挑戰(zhàn)依然存在,系統(tǒng)壽命受到:電源壽命,多器件多焊點(diǎn)的工藝穩(wěn)定性,溫度等等限制。降低眩光,優(yōu)化光斑,消除色散都會(huì)大幅降低光效,從而導(dǎo)致系統(tǒng)效率偏低。體育館照明等領(lǐng)域,受限于溫度管理,系統(tǒng)功率及總光通量還偏低。
光品質(zhì)方面,挑戰(zhàn)更加巨大。
LED體積小對(duì)整燈工藝提出了更高的要求。主流的透鏡,特別是小光束角,小體積透鏡,細(xì)微的裝配誤差可能帶來配光的急劇劣化,如圖一。
圖一
照明產(chǎn)品的主要配光手段從反射器切換到透鏡,色散 (折射特有)成為光品質(zhì)的大攔路虎。目前,消除方案也比較單一。
光源的一致性沒有很好解決,色溫色容差批次間差異較 大,對(duì)于大功率小角度線形燈影響尤為突出。
照明頻閃的判斷依據(jù)亟待標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一。
扁平化的道路上,大功率產(chǎn)品比少,且主要是面板燈等大角度配光產(chǎn)品。小角度光學(xué)方案缺位。
模塊化,多見于路燈隧道燈,其他燈具發(fā)展比較緩慢。
智能化,道路漫漫。不談智能,僅談簡單的調(diào)光,室內(nèi)常用的0-10V調(diào)光,切向調(diào)光,Dali控制,與室外常用的DMX512控制 ,如何整合為一體也是實(shí)際工程項(xiàng)目面臨的問題。
03 現(xiàn)階段光學(xué)方案概述
配光是照明永恒的主題。燈具的本質(zhì)是保護(hù)光源,對(duì)光進(jìn)行重新分配的器具。合理的配光是燈具的生命線。
3.1 二次配光光學(xué)需求
如圖二,光在封裝層級(jí)的整合叫做一次光學(xué)設(shè)計(jì),其重點(diǎn)任務(wù)是提高光的引出效率,提高光斑初始質(zhì)量,避免色散黃斑等缺陷。不作重點(diǎn)闡述。
LED出光根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合重新分配叫做二次光學(xué)設(shè)計(jì),也是常規(guī)意義上的燈具光學(xué)方案設(shè)計(jì)。
圖二
從原理上,其主要任務(wù)如下:1. 發(fā)散,把光線擴(kuò)散到更廣的角度,手法既有結(jié)構(gòu)折射,亦可利用擴(kuò)散材料,如圖三。
圖三
2. 聚焦,把寬的光線聚合成更窄的光線,如圖四。
圖四
3. 特殊分配,把光線轉(zhuǎn)變?yōu)樘厥夥植嫉墓饩€,如圖五。
圖五
4. 導(dǎo)光,利用全反射把光引導(dǎo)到需要得地方,如光纖,導(dǎo)光板。
5. 光回收,針對(duì)于透明材料,光學(xué)效率=透過光通量/總光通,反射率+吸收率+透光率=100%,基于3MM厚的透明板材吸收部分占比非常少,見圖6,因此好的光學(xué)回收系統(tǒng)可以極大提升系統(tǒng)光效。目前主要的手法有,透鏡與LED之間填充透明硅膠屏蔽空氣消除全反射;材料表面鍍?cè)鐾改p少反射,但由于膜的壽命及價(jià)格應(yīng)用不廣,利用高反射膜將反射回來的光收集后再投射出去,使用時(shí)需注意避免回收光破壞光品質(zhì)。
圖六
6. 防眩處理,工業(yè)照明和公共建筑常用房間或場(chǎng)所的不舒適眩光,應(yīng)采用統(tǒng)一眩光值(UGR)來評(píng)價(jià),其評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)見表一。對(duì)于大發(fā)光面燈具如面板燈,線條燈應(yīng)采用可抑制大角度光線的板材來實(shí)現(xiàn),目前國內(nèi)領(lǐng)先的材料廠家是中藍(lán)光電。
表一
對(duì)于,小發(fā)光面的燈具亦可采用以上方式,具有燈具與天花融合更好的優(yōu)勢(shì),但更極致的處理方式是合理設(shè)置遮光角,一般要求大于30度。遮光角(shielding angle)指光源最邊緣一點(diǎn)與燈具開口邊緣的連線與水平線之間的夾角。
對(duì)于室外燈具,如路燈則應(yīng)采用GR限值及TI限值來評(píng)估,優(yōu)化主要依靠透鏡設(shè)計(jì),地埋燈,洗墻燈則采取遮光板,蜂窩板的方式來屏蔽人眼直視出光面。
7. 光斑矯正,目前除了定位于博物館等高端場(chǎng)景的國際大廠,國內(nèi)重視度還不夠。透鏡會(huì)引起如下圖的色散發(fā)生同時(shí)也會(huì)放大光源一次配光的缺陷,照成光斑顏色不均勻,邊緣發(fā)黃,甚至五彩斑斕見圖8。
圖八
矯正也需解決主副光斑過度中存在的問題。大角度出光的情況下,采用磨砂玻璃、布紋玻璃,甚至是擴(kuò)散板來優(yōu)化,但這些措施都會(huì)損失光效,高的甚至達(dá)到40%,同時(shí)光束角會(huì)明顯變大。針對(duì)于小角度射燈傳統(tǒng)方案無疑是失效的,因?yàn)榕涔獗黄茐牧?。針?duì)小角度射燈矯正光斑現(xiàn)有方案是采用國外5度,10度膜,主要存在的問題有:光損失較大,一般超過15%;膜采用的工藝是PET鍍微結(jié)構(gòu)涂層,耐磨性欠佳,需同時(shí)使用保護(hù)板,系統(tǒng)光學(xué)效率會(huì)進(jìn)一步下降; 該工藝基材薄,需要額外固定措施,防止卷曲后帶來的光型破壞。目前中藍(lán)光電采用的是納米針刺模專利方案,更加環(huán)保,并且解決了連續(xù)生產(chǎn),耐磨,易固定,無需再次防護(hù)的問題,在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。
針對(duì)小角度燈具,我們來探究幾個(gè)概念,方便理解和解決現(xiàn)存問題。
光束角與光場(chǎng)角,CIE和中國照明協(xié)會(huì)均采用光束角來定義燈具角度(50%最大光強(qiáng)點(diǎn)與原點(diǎn)連線之間的夾角),這個(gè)應(yīng)用最為廣泛,對(duì)于室內(nèi)產(chǎn)品,一般采用光束角,因?yàn)闊艟唠x照射面距離遠(yuǎn),作得好的產(chǎn)品光強(qiáng)50%以下的副光斑所占的光通量一般不超過燈具總光通量的5%,所以對(duì)視覺影響小。隨著照明品質(zhì)要求提升,對(duì)于離墻近的小,中角度筒燈,射燈仍具挑戰(zhàn)。
光場(chǎng)角是IES針對(duì)于投光燈的定義(10%最大光強(qiáng)點(diǎn)與原點(diǎn)之間的夾角),由于光斑會(huì)呈現(xiàn)于被照物,特別是貼墻安裝的戶外燈具一般采用光場(chǎng)角來定義。
見圖九,對(duì)應(yīng)的光束角都是30度,但光場(chǎng)角不同,見下圖箭頭從左至右對(duì)應(yīng)的副光斑越來越大,同時(shí)配光曲線本身差異,呈現(xiàn)的視覺感受(均勻度,邊緣銳利度)完全不同的。這都是光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的點(diǎn)。
圖九
燈具實(shí)際效果,見圖10。光束角與光場(chǎng)角分別形成了主光斑及副光斑,副光斑外還存在一個(gè)非常大的光斑,這又是什么呢?
圖十
光品質(zhì)升級(jí)的背景下,理解好這些光斑及如何處理他們,已經(jīng)是照明行業(yè)必須解決的問題。見圖11,主副光斑外,透鏡表面,及燈具防護(hù)玻璃表面的反射雜散光效應(yīng)形成的弱光面光源被燈具硬截光后,分別形成了二級(jí)副光斑及三級(jí)副光斑(COB表面亮度更大,所以COB反射器方案形成的二級(jí)副光斑更加明顯,這回答了上面多余光斑的問題),如果不善加處理這些光斑,其對(duì)高品質(zhì)光的破壞將是災(zāi)難性的,如圖12。
圖十一
圖十二
3.2 配光的不同技術(shù)手段
大角度光學(xué)系統(tǒng),因?yàn)橹鞴獍叽?,副光斑被覆蓋隱藏, 矛盾并不突出。
接下來介紹一下實(shí)際實(shí)現(xiàn)二次配光的主要光學(xué)器件:反射器配光,透鏡配光,混光腔配光,組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,理論上甚至可以做到平行配光,如圖13,但在實(shí)際設(shè)計(jì)中,因長度限制,小角度應(yīng)用受限,燈具體積也難控制。同時(shí)由于大量光直接出射,復(fù)雜光型比較難實(shí)現(xiàn)。在LED時(shí)代,其更多用于防眩,如黑光反射器。
在傳統(tǒng)光源時(shí)代,受限于光源腔溫度高(HID射燈光源腔玻璃表面溫度可能接近200攝氏度),材料一般采用鋁片旋壓而成,表面作陽極化處理,高端產(chǎn)品進(jìn)行鋁或銀濺射處理。但旋壓工藝精度低,對(duì)原材料一致性要求很高(旋壓后應(yīng)力回彈變形),對(duì)設(shè)計(jì)的魯棒性要求更高,使得傳統(tǒng)時(shí)代,主流的12度,24度射燈產(chǎn)品及路燈產(chǎn)品主要控制 在國際一線知名品牌手中。隨著LED介入,光學(xué)腔溫度降低,結(jié)合注塑精度高,生產(chǎn)易控的特點(diǎn),目前已無技術(shù)瓶頸,在各種射燈(小角度需集合透鏡使用),筒燈產(chǎn)品,特別是COB光源為主的產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用,但小角度應(yīng)用中存在副光斑過大問題。
圖十三
透鏡配光
透鏡的種類很多,目前應(yīng)用最為廣泛的有TIR透鏡,折射透鏡,菲聶耳透鏡。下面簡答分別介紹一下。
TIR透鏡
標(biāo)準(zhǔn)的透鏡最經(jīng)典的就是圓錐形透鏡,這些透鏡很大一部分依賴于全內(nèi)透反射所以稱之為TIR(total Internal Reflection)透鏡。通常TIR透鏡是軸對(duì)稱設(shè)計(jì)提供一個(gè)漂亮的圓形光斑,既可以組合成多顆LED成為陣列透鏡也可以單顆加支架以方便安裝和控光。見圖十四。
圖十四
TIR透鏡的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的,所有光收入光學(xué)器件,同時(shí),上表面可以作各種處理,如珠面,磨砂,條紋拉伸,布紋柔光,上表面菲聶耳化等處理,有利于精準(zhǔn)配光。但是對(duì)于COB產(chǎn)品,透鏡體積巨大,變種產(chǎn)品-透明外錐表面作真空濺鍍處理,用反射代替折射來降低產(chǎn)品尺寸。
折射透鏡
在特殊光型的配光中,應(yīng)用較多。2個(gè)光學(xué)折射面組合的方式可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜配光,其對(duì)設(shè)計(jì)要求比較高。見圖15
圖十五
菲聶耳透鏡
不作過多展開,優(yōu)點(diǎn)是薄,一般需要配合反射器來提高光效。使用時(shí)需要注意色散引起的光斑缺陷及芯片成像問題。
混光腔配光
最常見的應(yīng)用是LED筒燈,將多顆LED在光學(xué)腔內(nèi)進(jìn)行混光,經(jīng)擴(kuò)散板投射而出,優(yōu)點(diǎn)是對(duì)光源一致性要求低,表面柔和均勻,成本經(jīng)濟(jì)。值得一提的是面板燈也是一種特殊的混光腔配光。缺點(diǎn)是難以實(shí)現(xiàn)小角度配光。值得一提的是中藍(lán)光電NanoD系列可以直接替換擴(kuò)散板實(shí)現(xiàn)50,60,70,80,90,100度的配光,為燈具扁平化再一次鋪平了道路。
組合控光指的是通過通過以上手法的組合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)光學(xué)優(yōu)化。 板材防眩辦公室照明目前主流產(chǎn)品是面板燈,有必要專門介紹一下面板燈的防眩技術(shù),因?yàn)楝F(xiàn)代人有三分之一以上的時(shí)間在這樣的照明環(huán)境下工作。傳統(tǒng)時(shí)代的防眩主要由反射器和格柵硬截光完成,其光學(xué)系統(tǒng)在目前的面板燈系統(tǒng)上是無法采用的,因?yàn)闊o論是直下式面板燈還是導(dǎo)光式面板燈其發(fā)光面與天花齊平,不具備采用硬截光的空間,因此多采用板材防眩的方式來降低UGR。
很多人都對(duì)UGR存在一個(gè)誤解,認(rèn)為它同色溫,光效一樣,是燈具本身的參數(shù)。其實(shí),UGR的含義是照明環(huán)境對(duì)于人眼的不舒適度,它是一個(gè)通過與產(chǎn)生眩光有關(guān)的各種參數(shù)計(jì)算得到的表征整個(gè)照明空間的不舒適眩光程度的值。簡單來講,UGR值不僅與燈具有關(guān),它與房間大小,房間的反射率,以及觀察者的觀察方向都有關(guān)系。而當(dāng)我們拿到一個(gè)燈具光學(xué)參數(shù)的時(shí)候,有一頁叫做UGR數(shù)據(jù)表,所謂UGR<19我們看的就是這個(gè)表格,其實(shí)它是為了方便大家 快速識(shí)別燈具防眩能力人為定義了一個(gè)空間,所有的單一燈具都放置在這樣一個(gè)規(guī)定空間內(nèi)進(jìn)行評(píng)估得出的一組數(shù)據(jù)。在這個(gè)表格(表二)內(nèi)的數(shù)據(jù),是基于人眼到天花板的高度 H=2米,燈具排布S=0.25H=0.5米的情況下,定義了5組不同反射率的天花,墻壁,地板的給定空間,其中空間的尺寸長寬信息由X,Y給定,而單一空間的最大尺寸一般不超過4H8H既8X16米,反射率最常用的是第一組既天花板,墻面,地面的反射率分別為0.7,0.5,0.2,所以我們說一個(gè)燈具的UGR值是多少一般簡單的讀取4H8H交叉和向前的第一個(gè)數(shù)據(jù),取大值,表二里取19.3來作為比較的依據(jù)。當(dāng)實(shí)際裝燈距離改變時(shí),燈具的排布由于發(fā)生變化,不同的觀測(cè)位置可能導(dǎo)致UGR值變化,在表格里面給出了可能變化的一個(gè)范圍值。在表的最下方,是依據(jù)CIE117根據(jù)燈具實(shí)際的光通量對(duì)UGR進(jìn)行修正,標(biāo)準(zhǔn)的UGR是按單燈1000lm來定義的,當(dāng)燈具光通量越大時(shí),UGR值越高。如果最下方的文字出現(xiàn)表格已按XXX lm光通進(jìn)行修正,則表明上表數(shù)據(jù)已是根據(jù)燈具光通量修訂過的數(shù)據(jù)。
表二
有了這樣一個(gè)統(tǒng)一的假定空間后,燈具廠家的任務(wù)也就相對(duì)明確了,主要就是將4H8H的數(shù)值降低以提高舒適度,一般而言其小于19時(shí)就能符合要求,將這個(gè)要求轉(zhuǎn)換為具體的光學(xué)指標(biāo)時(shí),主要就是抑制>65度的高角度光,如圖十六,中藍(lán)光電采取具有微細(xì)結(jié)構(gòu)的板材,有效抑制改變光的傳播方向,減少65度以上大角度光線,進(jìn)而減少眩光來降低燈具的UGR值。與世面上傳統(tǒng)的棱晶板不同,G系列板材在控制眩光的同時(shí),光線截止更加柔和,有效解決了色散難題并降低了LED的表面亮度,提升了燈具整體的視覺美感。與傳統(tǒng)防眩格柵設(shè)計(jì)相比,G系列防眩光板的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),不僅不降低燈具的光學(xué)性能,還可以為燈具增加高達(dá)15%的中心光強(qiáng)。
圖十六
3.3 光學(xué)材料類別
3.3.1 反射鋁Al
目前,主流的反光杯是鋁旋壓發(fā)光杯,表面做陽極氧化或真空電鍍,這種反光杯,加工簡單,采用鋁片旋壓成型,模具及產(chǎn)品單價(jià)比較便宜。但精度偏低,在高精度的應(yīng)用上會(huì)采用注塑加真空濺鍍的方式替代。傳統(tǒng)燈盤產(chǎn)品的格柵反射器,也是由鋁片拼裝而成,隨著逐步被面板燈取代,這種反射鋁的應(yīng)用已不常見。
3.3.2 聚碳酸脂PC
PC, 學(xué)名聚碳酸脂,這種材料透光率比PMMA稍低,3MM厚度時(shí)穿透率89%左右,但比PMMA耐高溫,熱變形溫度在135度,且耐黃變,因此戶外時(shí)常使用PC透鏡,在作為防眩微結(jié)構(gòu)板時(shí),如果對(duì)強(qiáng)度及黃變要求高時(shí)也應(yīng)該選用PC材料,由于成型溫度高對(duì)工藝要求比較高,強(qiáng)度大對(duì)模具要求高,所以國內(nèi)能穩(wěn)定批量生產(chǎn)PC防眩板的只有中藍(lán)等少數(shù)廠家。
3.3.3 聚甲基丙烯酸甲酯PMMA
PMMA,學(xué)名聚甲基丙烯酸甲酯,這種材料透光率比較高,3MM厚度時(shí)穿透率93%左右,但不能耐高溫,溫度不宜超過80度,且在92時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱變形,再者,隨著使用時(shí)間的增加和紫外輻射,會(huì)產(chǎn)生黃變,使透過率降低,因此,PMMA透鏡通常用于室內(nèi),其高透過的特點(diǎn)使得室內(nèi)環(huán)境的面板燈的導(dǎo)光板一般也采用PMMA。
3.3.4聚苯乙烯PS
PS, 學(xué)名聚苯乙烯,這種材料透光率最低,3MM厚度時(shí)穿透率85%左右,熱變形溫度70~100°C , 長期使用溫度為60~80°C,隨著使用時(shí)間的增加和紫外輻射,會(huì)產(chǎn)生黃變,使透過率降低,材料偏脆,但是由于其優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)性,往往同面積的情況下直有PC價(jià)格的一半,因此在高性價(jià)比的面板控光產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。
04?創(chuàng)新光學(xué)材料助力LED照明新需求
隨著LED照明行業(yè)的發(fā)展和新需求的產(chǎn)生,作為照明輸出控制的光學(xué)材料需要進(jìn)一步在產(chǎn)品扁平化的同時(shí)解決防眩和藍(lán)光危害等問題。光品質(zhì),扁平化,模塊化,智能化的道路非坦途。如何兼顧新的需求和成本控制,很多問題都需要?jiǎng)?chuàng)新的手段來解決。
前面提到的光斑品質(zhì)優(yōu)化,眩光控制問題,平板防眩材料如NanoG系列可以很好發(fā)揮作用。通過新穎的光學(xué)設(shè)計(jì),可以有效控制眩光,讓產(chǎn)品更加扁平化。
折射的色散效應(yīng),透鏡成像問題一直是困擾著行業(yè),由于它們的存在很多光學(xué)手法難以實(shí)施,采用新穎的光學(xué)技術(shù),使得色散后的光在極小的空間內(nèi)重新調(diào)制組合,使得成像在極小的空間內(nèi)疊加破除,使得不可能實(shí)施的手法變成可能。新型的光學(xué)控光方式如NanoD系列將給扁平化,模組化帶來更多的想象空間。
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