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    新聞導航

    LED照明的防眩控光材料

    來源:www.cruisesite.cn 發布時間:2020-07-06 返回

           01 照明新的發展方向

      創新分兩類,需求推動與技術推動。LED作為最新的光源技術將把照明推向何處?

      光源是照明的源頭。在很長一段時間人類對光源的應用主要體現在自然光上,催生了許多偉大的建築文化,不展開討論。就人造光源而言,經曆了光火同源,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,照明的主要任務是如何把火燒得更旺,古人通過尋找更易燃燒的鬆枝代替普通的木材來創新,發現氧化說後,創新多在於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。隨著認識進一步發展,光和火分離,耳熟能詳的愛迪生,實驗耐高溫材料來提高光源壽命,是那一代照明人的曆史使命。一代理論一代技術一代產品,光子理論背景下,誕生了熒光燈,金鹵燈和偉大的LED,為什麽說其偉大? 因為這是人類第一次不用高溫來間接獲取光,第一次實現了從電子到光子無中間態轉化。好處顯而易見,中間層級的減少意味著高效,今天的LED,160lm/w的效率已然不是什麽高科技,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;繞過了高溫這一環節,亦帶來了光源壽命的顯著提升;熒光燈需要慢慢變到最亮,金鹵燈需要啟動時間,都源於溫升需要時間,而LED毫秒級點亮; 溫度的下降,器件的減少,使得LED的體積明顯變小。

      總結特征如下:1. 高效;2. 長壽;3. 低溫;4. 響應快; 5. 小。

      高效,長壽將繼續發展,但非主戰場。因為經濟性,光效進一步提升帶來的好處有限,壽命結合需求(裝修期) 也基本滿足,技術突破的難度日益增大。需求的滿足伴生需求的升級,越來越多的地方,已經不再單純強調光效,而對哪裏要有光-精準的配光,有什麽樣的光-顯色指數,色溫,全色域指數,色容差,光斑形態,光斑過度,主輔光斑,眩光,提出了更高的要求。

      響應快,電子器件化的同時照明產品本身通電,布置網格化的特點結合大熱的物聯網也將推動產品的升級。

      結合低溫,小。行業作了很多創新,但還不夠,LED照明產品的形式和傳統時代並無本質區別。其特點使得透鏡(傳統時代多為反射器)成為主要的配光工具。但燈具體積,形式還沒有走出傳統燈具的影子。這將是LED照明發展的最主要突破口之一,溫度低的特點,使更多的材料得以發揮作為,體積小的特點讓燈具形式多樣化,使用愈發靈活,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。都呼喚產品小型化,模塊化,而發光麵不是越小越好,因此小型化的進化方向應是扁平化。

      追本溯源得出LED發展的四個發展方向: 一、光品質,二、扁平化,三、模塊化,四、智能化

      02 LED照明麵臨的挑戰

      LED光源長壽和高效基本符合要求,但挑戰依然存在,係統壽命受到:電源壽命,多器件多焊點的工藝穩定性,溫度等等限製。降低眩光,優化光斑,消除色散都會大幅降低光效,從而導致係統效率偏低。體育館照明等領域,受限於溫度管理,係統功率及總光通量還偏低。

      光品質方麵,挑戰更加巨大。

      LED體積小對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,對於大功率小角度線形燈影響尤為突出。

      照明頻閃的判斷依據亟待標準和統一。

      扁平化的道路上,大功率產品比少,且主要是麵板燈等大角度配光產品。小角度光學方案缺位。

      模塊化,多見於路燈隧道燈,其他燈具發展比較緩慢。

      智能化,道路漫漫。不談智能,僅談簡單的調光,室內常用的0-10V調光,切向調光,Dali控製,與室外常用的DMX512控製 ,如何整合為一體也是實際工程項目麵臨的問題。

      03 現階段光學方案概述

      配光是照明永恒的主題。燈具的本質是保護光源,對光進行重新分配的器具。合理的配光是燈具的生命線。

      3.1 二次配光光學需求

      如圖二,光在封裝層級的整合叫做一次光學設計,其重點任務是提高光的引出效率,提高光斑初始質量,避免色散黃斑等缺陷。不作重點闡述。

      LED出光根據應用場合重新分配叫做二次光學設計,也是常規意義上的燈具光學方案設計。

     

    圖二

      從原理上,其主要任務如下:1. 發散,把光線擴散到更廣的角度,手法既有結構折射,亦可利用擴散材料,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,把光線轉變為特殊分布的光線,如圖五。

     

     

     

     

    圖五

      4. 導光,利用全反射把光引導到需要得地方,如光纖,導光板。

      5. 光回收,針對於透明材料,光學效率=透過光通量/總光通,反射率+吸收率+透光率=100%,基於3MM厚的透明板材吸收部分占比非常少,見圖6,因此好的光學回收係統可以極大提升係統光效。目前主要的手法有,透鏡與LED之間填充透明矽膠屏蔽空氣消除全反射;材料表麵鍍增透膜減少反射,但由於膜的壽命及價格應用不廣,利用高反射膜將反射回來的光收集後再投射出去,使用時需注意避免回收光破壞光品質。

     

     

    圖六

      6. 防眩處理,工業照明和公共建築常用房間或場所的不舒適眩光,應采用統一眩光值(UGR)來評價,其評判標準見表一。對於大發光麵燈具如麵板燈,線條燈應采用可抑製大角度光線的板材來實現,目前國內領先的材料廠家是中藍光電。

     

     

     

    表一

      對於,小發光麵的燈具亦可采用以上方式,具有燈具與天花融合更好的優勢,但更極致的處理方式是合理設置遮光角,一般要求大於30度。遮光角(shielding angle)指光源最邊緣一點與燈具開口邊緣的連線與水平線之間的夾角。

      對於室外燈具,如路燈則應采用GR限值及TI限值來評估,優化主要依靠透鏡設計,地埋燈,洗牆燈則采取遮光板,蜂窩板的方式來屏蔽人眼直視出光麵。

      7. 光斑矯正,目前除了定位於博物館等高端場景的國際大廠,國內重視度還不夠。透鏡會引起如下圖的色散發生同時也會放大光源一次配光的缺陷,照成光斑顏色不均勻,邊緣發黃,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,甚至是擴散板來優化,但這些措施都會損失光效,高的甚至達到40%,同時光束角會明顯變大。針對於小角度射燈傳統方案無疑是失效的,因為配光被破壞了。針對小角度射燈矯正光斑現有方案是采用國外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鍍微結構塗層,耐磨性欠佳,需同時使用保護板,係統光學效率會進一步下降; 該工藝基材薄,需要額外固定措施,防止卷曲後帶來的光型破壞。目前中藍光電采用的是納米針刺模專利方案,更加環保,並且解決了連續生產,耐磨,易固定,無需再次防護的問題,在該領域處於領先地位。

      針對小角度燈具,我們來探究幾個概念,方便理解和解決現存問題。

      光束角與光場角,CIE和中國照明協會均采用光束角來定義燈具角度(50%最大光強點與原點連線之間的夾角),這個應用最為廣泛,對於室內產品,一般采用光束角,因為燈具離照射麵距離遠,作得好的產品光強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%,所以對視覺影響小。隨著照明品質要求提升,對於離牆近的小,中角度筒燈,射燈仍具挑戰。

      光場角是IES針對於投光燈的定義(10%最大光強點與原點之間的夾角),由於光斑會呈現於被照物,特別是貼牆安裝的戶外燈具一般采用光場角來定義。

      見圖九,對應的光束角都是30度,但光場角不同,見下圖箭頭從左至右對應的副光斑越來越大,同時配光曲線本身差異,呈現的視覺感受(均勻度,邊緣銳利度)完全不同的。這都是光學設計時需要注意的點。

     

     

    圖九

      燈具實際效果,見圖10。光束角與光場角分別形成了主光斑及副光斑,副光斑外還存在一個非常大的光斑,這又是什麽呢?

     

    圖十

      光品質升級的背景下,理解好這些光斑及如何處理他們,已經是照明行業必須解決的問題。見圖11,主副光斑外,透鏡表麵,及燈具防護玻璃表麵的反射雜散光效應形成的弱光麵光源被燈具硬截光後,分別形成了二級副光斑及三級副光斑(COB表麵亮度更大,所以COB反射器方案形成的二級副光斑更加明顯,這回答了上麵多餘光斑的問題),如果不善加處理這些光斑,其對高品質光的破壞將是災難性的,如圖12。

     

                                                                     圖十一

     

     圖十二

      3.2 配光的不同技術手段

      大角度光學係統,因為主光斑大,副光斑被覆蓋隱藏, 矛盾並不突出。

      接下來介紹一下實際實現二次配光的主要光學器件: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,但在實際設計中,因長度限製,小角度應用受限,燈具體積也難控製。同時由於大量光直接出射,複雜光型比較難實現。在LED時代,其更多用於防眩,如黑光反射器。

      在傳統光源時代,受限於光源腔溫度高(HID射燈光源腔玻璃表麵溫度可能接近200攝氏度),材料一般采用鋁片旋壓而成,表麵作陽極化處理,高端產品進行鋁或銀濺射處理。但旋壓工藝精度低,對原材料一致性要求很高(旋壓後應力回彈變形),對設計的魯棒性要求更高,使得傳統時代,主流的12度,24度射燈產品及路燈產品主要控製 在國際一線知名品牌手中。隨著LED介入,光學腔溫度降低,結合注塑精度高,生產易控的特點,目前已無技術瓶頸,在各種射燈(小角度需集合透鏡使用),筒燈產品,特別是COB光源為主的產品中得到廣泛應用,但小角度應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,目前應用最為廣泛的有TIR透鏡,折射透鏡,菲聶耳透鏡。下麵簡答分別介紹一下。

      TIR透鏡

      標準的透鏡最經典的就是圓錐形透鏡,這些透鏡很大一部分依賴於全內透反射所以稱之為TIR(total Internal Reflection)透鏡。通常TIR透鏡是軸對稱設計提供一個漂亮的圓形光斑,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透鏡的優點是顯而易見的,所有光收入光學器件,同時,上表麵可以作各種處理,如珠麵,磨砂,條紋拉伸,布紋柔光,上表麵菲聶耳化等處理,有利於精準配光。但是對於COB產品,透鏡體積巨大,變種產品-透明外錐表麵作真空濺鍍處理,用反射代替折射來降低產品尺寸。

      折射透鏡

      在特殊光型的配光中,應用較多。2個光學折射麵組合的方式可以實現複雜配光,其對設計要求比較高。見圖15

     

     

     

     

     

    圖十五

      菲聶耳透鏡

      不作過多展開,優點是薄,一般需要配合反射器來提高光效。使用時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

      最常見的應用是LED筒燈,將多顆LED在光學腔內進行混光,經擴散板投射而出,優點是對光源一致性要求低,表麵柔和均勻,成本經濟。值得一提的是麵板燈也是一種特殊的混光腔配光。缺點是難以實現小角度配光。值得一提的是中藍光電NanoD係列可以直接替換擴散板實現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用,實現光學優化。 板材防眩辦公室照明目前主流產品是麵板燈,有必要專門介紹一下麵板燈的防眩技術,因為現代人有三分之一以上的時間在這樣的照明環境下工作。傳統時代的防眩主要由反射器和格柵硬截光完成,其光學係統在目前的麵板燈係統上是無法采用的,因為無論是直下式麵板燈還是導光式麵板燈其發光麵與天花齊平,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UGR存在一個誤解,認為它同色溫,光效一樣,是燈具本身的參數。其實,UGR的含義是照明環境對於人眼的不舒適度,它是一個通過與產生眩光有關的各種參數計算得到的表征整個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,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係。而當我們拿到一個燈具光學參數的時候,有一頁叫做UGR數據表,所謂UGR<19我們看的就是這個表格,其實它是為了方便大家 快速識別燈具防眩能力人為定義了一個空間,所有的單一燈具都放置在這樣一個規定空間內進行評估得出的一組數據。在這個表格(表二)內的數據,是基於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,牆壁,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,牆麵,地麵的反射率分別為0.7,0.5,0.2,所以我們說一個燈具的UGR值是多少一般簡單的讀取4H8H交叉和向前的第一個數據,取大值,表二裏取19.3來作為比較的依據。當實際裝燈距離改變時,燈具的排布由於發生變化,不同的觀測位置可能導致UGR值變化,在表格裏麵給出了可能變化的一個範圍值。在表的最下方,是依據CIE117根據燈具實際的光通量對UGR進行修正,標準的UGR是按單燈1000lm來定義的,當燈具光通量越大時,UGR值越高。如果最下方的文字出現表格已按XXX lm光通進行修正,則表明上表數據已是根據燈具光通量修訂過的數據。

     

     

    表二

      有了這樣一個統一的假定空間後,燈具廠家的任務也就相對明確了,主要就是將4H8H的數值降低以提高舒適度,一般而言其小於19時就能符合要求,將這個要求轉換為具體的光學指標時,主要就是抑製>65度的高角度光,如圖十六,中藍光電采取具有微細結構的板材,有效抑製改變光的傳播方向,減少65度以上大角度光線,進而減少眩光來降低燈具的UGR值。與世麵上傳統的棱晶板不同,G係列板材在控製眩光的同時,光線截止更加柔和,有效解決了色散難題並降低了LED的表麵亮度,提升了燈具整體的視覺美感。與傳統防眩格柵設計相比,G係列防眩光板的微結構設計,不僅不降低燈具的光學性能,還可以為燈具增加高達15%的中心光強。

     

     

    圖十六

      3.3 光學材料類別

      3.3.1 反射鋁Al

      目前,主流的反光杯是鋁旋壓發光杯,表麵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,模具及產品單價比較便宜。但精度偏低,在高精度的應用上會采用注塑加真空濺鍍的方式替代。傳統燈盤產品的格柵反射器,也是由鋁片拚裝而成,隨著逐步被麵板燈取代,這種反射鋁的應用已不常見。

      3.3.2 聚碳酸脂PC

      PC, 學名聚碳酸脂,這種材料透光率比PMMA稍低,3MM厚度時穿透率89%左右,但比PMMA耐高溫,熱變形溫度在135度,且耐黃變,因此戶外時常使用PC透鏡,在作為防眩微結構板時,如果對強度及黃變要求高時也應該選用PC材料,由於成型溫度高對工藝要求比較高,強度大對模具要求高,所以國內能穩定批量生產PC防眩板的隻有中藍等少數廠家。

      3.3.3 聚甲基丙烯酸甲酯PMMA

      PMMA,學名聚甲基丙烯酸甲酯,這種材料透光率比較高,3MM厚度時穿透率93%左右,但不能耐高溫,溫度不宜超過80度,且在92時會產生熱變形,再者,隨著使用時間的增加和紫外輻射,會產生黃變,使透過率降低,因此,PMMA透鏡通常用於室內,其高透過的特點使得室內環境的麵板燈的導光板一般也采用PMMA。

      3.3.4聚苯乙烯PS

      PS, 學名聚苯乙烯,這種材料透光率最低,3MM厚度時穿透率85%左右,熱變形溫度70~100°C , 長期使用溫度為60~80°C,隨著使用時間的增加和紫外輻射,會產生黃變,使透過率降低,材料偏脆,但是由於其優異的經濟性,往往同麵積的情況下直有PC價格的一半,因此在高性價比的麵板控光產品中得到廣泛的應用。

      04?創新光學材料助力LED照明新需求

      隨著LED照明行業的發展和新需求的產生,作為照明輸出控製的光學材料需要進一步在產品扁平化的同時解決防眩和藍光危害等問題。光品質,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製,很多問題都需要創新的手段來解決。

      前麵提到的光斑品質優化,眩光控製問題,平板防眩材料如NanoG係列可以很好發揮作用。通過新穎的光學設計,可以有效控製眩光,讓產品更加扁平化。

      折射的色散效應,透鏡成像問題一直是困擾著行業,由於它們的存在很多光學手法難以實施,采用新穎的光學技術,使得色散後的光在極小的空間內重新調製組合,使得成像在極小的空間內疊加破除,使得不可能實施的手法變成可能。新型的光學控光方式如NanoD係列將給扁平化,模組化帶來更多的想象空間。