01 照明新的發(fā)展方向
創(chuàng)新分兩類，需求推動與技術(shù)推動。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。在很長一段時間人類對光源的應(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。隨著認識進一步發(fā)展，光和火分離，耳熟能詳?shù)膼鄣仙?，實驗?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? 因為這是人類第一次不用高溫來間接獲取光，第一次實現(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;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，金鹵燈需要啟動時間，都源于溫升需要時間，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(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。因為經(jīng)濟性，光效進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，越來越多的地方，已經(jīng)不再單純強調(diào)光效，而對哪里要有光-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，電子器件化的同時照明產(chǎn)品本身通電，布置網(wǎng)格化的特點結(jié)合大熱的物聯(lián)網(wǎng)也將推動產(chǎn)品的升級。
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)時代并無本質(zhì)區(qū)別。其特點使得透鏡(傳統(tǒng)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(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，使更多的材料得以發(fā)揮作為，體積小的特點讓燈具形式多樣化，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，因此小型化的進化方向應(yīng)是扁平化。
追本溯源得出LED發(fā)展的四個發(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(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際工程項目面臨的問題。
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(xué)需求
如圖二，光在封裝層級的整合叫做一次光學(xué)設(shè)計，其重點任務(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。不作重點闡述。
LED出光根據(jù)應(yīng)用場合重新分配叫做二次光學(xué)設(shè)計，也是常規(guī)意義上的燈具光學(xué)方案設(shè)計。
圖二
從原理上，其主要任務(wù)如下:1. 發(fā)散，把光線擴散到更廣的角度，手法既有結(jié)構(gòu)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(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;材料表面鍍增透膜減少反射，但由于膜的壽命及價格應(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所的不舒適眩光，應(yīng)采用統(tǒng)一眩光值(UGR)來評價，其評判標(biāo)準(zhǔn)見表一。對于大發(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現(xiàn)，目前國內(nèi)領(lǐng)先的材料廠家是中藍光電。
表一
對于，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，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)指光源最邊緣一點與燈具開口邊緣的連線與水平線之間的夾角。
對于室外燈具，如路燈則應(yīng)采用GR限值及TI限值來評估，優(yōu)化主要依靠透鏡設(shè)計，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景的國際大廠，國內(nèi)重視度還不夠。透鏡會引起如下圖的色散發(fā)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(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，甚至是擴散板來優(yōu)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。針對于小角度射燈傳統(tǒng)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(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，需同時使用保護板，系統(tǒng)光學(xué)效率會進一步下降; 該工藝基材薄，需要額外固定措施，防止卷曲后帶來的光型破壞。目前中藍光電采用的是納米針刺模專利方案，更加環(huán)保，并且解決了連續(xù)生產(chǎn)，耐磨，易固定，無需再次防護的問題，在該領(lǐng)域處于領(lǐng)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(xiàn)存問題。
光束角與光場角，CIE和中國照明協(xié)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(yīng)用最為廣泛，對于室內(nèi)產(chǎn)品，一般采用光束角，因為燈具離照射面距離遠，作得好的產(chǎn)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(zhì)要求提升，對于離墻近的小，中角度筒燈，射燈仍具挑戰(zhàn)。
光場角是IES針對于投光燈的定義(10%最大光強點與原點之間的夾角)，由于光斑會呈現(xiàn)于被照物，特別是貼墻安裝的戶外燈具一般采用光場角來定義。
見圖九，對應(yīng)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(yīng)的副光斑越來越大，同時配光曲線本身差異，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，這又是什么呢?
圖十
光品質(zhì)升級的背景下，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，分別形成了二級副光斑及三級副光斑(COB表面亮度更大，所以COB反射器方案形成的二級副光斑更加明顯，這回答了上面多余光斑的問題)，如果不善加處理這些光斑，其對高品質(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)，因為主光斑大，副光斑被覆蓋隱藏， 矛盾并不突出。
接下來介紹一下實際實現(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，但在實際設(shè)計中，因長度限制，小角度應(yīng)用受限，燈具體積也難控制。同時由于大量光直接出射，復(fù)雜光型比較難實現(xiàn)。在LED時代，其更多用于防眩，如黑光反射器。
在傳統(tǒng)光源時代，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(旋壓后應(yīng)力回彈變形)，對設(shè)計的魯棒性要求更高，使得傳統(tǒng)時代，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，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透鏡是軸對稱設(shè)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(yōu)點是顯而易見的，所有光收入光學(xué)器件，同時，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個光學(xué)折射面組合的方式可以實現(xiàn)復(fù)雜配光，其對設(shè)計要求比較高。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(yīng)用是LED筒燈，將多顆LED在光學(xué)腔內(nèi)進行混光，經(jīng)擴散板投射而出，優(yōu)點是對光源一致性要求低，表面柔和均勻，成本經(jīng)濟。值得一提的是面板燈也是一種特殊的混光腔配光。缺點是難以實現(xiàn)小角度配光。值得一提的是中藍光電NanoD系列可以直接替換擴散板實現(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)，因為現(xiàn)代人有三分之一以上的時間在這樣的照明環(huán)境下工作。傳統(tǒng)時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，因為無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(shù)。其實，UGR的含義是照明環(huán)境對于人眼的不舒適度，它是一個通過與產(chǎn)生眩光有關(guān)的各種參數(shù)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(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)我們拿到一個燈具光學(xué)參數(shù)的時候，有一頁叫做UGR數(shù)據(jù)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(guī)定空間內(nèi)進行評估得出的一組數(shù)據(jù)。在這個表格(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(shù)據(jù)，取大值，表二里取19.3來作為比較的依據(jù)。當(dāng)實際裝燈距離改變時，燈具的排布由于發(fā)生變化，不同的觀測位置可能導(dǎo)致UGR值變化，在表格里面給出了可能變化的一個范圍值。在表的最下方，是依據(jù)CIE117根據(jù)燈具實際的光通量對UGR進行修正，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，UGR值越高。如果最下方的文字出現(xiàn)表格已按XXX lm光通進行修正，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
有了這樣一個統(tǒng)一的假定空間后，燈具廠家的任務(wù)也就相對明確了，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時就能符合要求，將這個要求轉(zhuǎn)換為具體的光學(xué)指標(biāo)時，主要就是抑制>65度的高角度光，如圖十六，中藍光電采取具有微細結(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，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)計相比，G系列防眩光板的微結(jié)構(gòu)設(shè)計，不僅不降低燈具的光學(xué)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(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)品單價比較便宜。但精度偏低，在高精度的應(yīng)用上會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(jié)構(gòu)板時，如果對強度及黃變要求高時也應(yīng)該選用PC材料，由于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(nèi)能穩(wěn)定批量生產(chǎn)PC防眩板的只有中藍等少數(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(chǎn)生熱變形，再者，隨著使用時間的增加和紫外輻射，會產(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(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)濟性，往往同面積的情況下直有PC價格的一半，因此在高性價比的面板控光產(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)材料需要進一步在產(chǎn)品扁平化的同時解決防眩和藍光危害等問題。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，很多問題都需要創(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，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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