了解用于确定LED光学元件及关键参数

根据联合国 en.lighten initiative（启明倡议组织）的计算结果，如果现有照明改为采用节能型 LED 灯，则每年的 CO2 排放量将减少 6 亿吨。 如果这一数据还不足以令人振奋，我们再看一下 LED 灯本身，它比传统白炽灯使用寿命长，既支持新设计理念、富有想象力的照明效果，又节省空间。 光学系统通常由透镜或反光镜组成，其设计会对一种灯具在这些方面成功与否产生关键性影响。

透镜和反光镜

尽管 LED 在每瓦流明值方面远比白炽灯高效，但发射器仅能承受小功率。 所以，必须小心控制 LED 流明，使其达到预定目标。 光学部件是整体系统的一个重要组成部分。 任何 LED 照明系统都需要透镜或反光镜，这些部件有助于尽量利用的 LED 流明。

典型的反光镜采用聚碳酸酯板模制而成，表面带有金属化反射涂层。 虽然透镜可确保出色的光束控制，这种金属表面可达到高反射率。 透镜常用于采用小光源和 1 至 4 个 LED 芯片的典型系统。 在需要过大或过昂贵透镜的应用中，如采用大型光源的应用，或者如果光源在通用荧光层上包含多个芯片时，诸如 LEDiL Lena 系列 之类反光镜就具有许多优势。

就透镜而言，目前市场上的产品形状各异、各具特色。 需要在较长使用寿命内实现出色的光输出时，通常可依赖采用高质量光学设计和材料的产品。 长期性能可能在某些应用中极为重要，尤其是路灯或者依靠 LED 降低替换成本的汽车照明等应用。 像光学级聚碳酸酯或丙烯酸之类高质量材料在刚使用时具有很高效率，而且能够很好地防止因老化而导致性能降低，且能抵御热、冷、阳光直射或潮湿等环境的威胁。

配光

没有任何单一标准能全面描述一个给定镜头的光学性能。 在为一个给定的应用确定最佳透镜时，照明设计人员需要了解多个参数及它们之间的关系。 光学效率用于衡量镜头的光通量发射能力，采用高品质光学级材料镜头的效率可超过 90%。 但对于透镜发出的光是如何定向的，这个数字没有反映出任何信息。 可用其它参数来更全面地描述透镜性能，其中包括半高宽 (FWHM) 角和烛光每流明 (cd/lm) 值。 设计人员利用这些数据能够更好地评估在光强度和分布方面能到达的照明效果。

对于一个在配光中心具有最大强度的对称透镜，FWHM 就是指光照强度为中心最大值 50% 时的角度。 这为光束的狭窄度提供了一个指标。 为将不确定情况降至最低，供应商可能会公布光强度为最大值 10% 时的角度。 该信息有助于设计人员评估主光束以外杂散光数量。 10% 和 FWHM 角之间的差异小，表示一盏灯可以产生狭窄、集中的光束。

与 FWHM 和 10% 角度信息一起，cd/lm 数值可用于测量光束中心的峰值强度。 同时利用这三个参数可定义一条非常类似传统“钟形”曲线的配光曲线，该曲线可描述光束的强度和宽度，以及明暗截止线的尖锐度，如图 1 所示。

图 1：点聚焦透镜的配光曲线，具有紧窄明暗截止线：10% 角和 FWHM 非常接近。

配光数据在光度文件中以数字方式提供，除了传统的单个透镜规格书外，还可下载光度文件。 这些文件采用 IES 或 EULUMDAT 编辑格式，且这些类型的文件可在线免费浏览。 图 2 以 IESviewer 为例。这是一种绘制工具，可用于绘制透镜发射光的传播和强度图形。 LEDiL 生成光度数据，说明其每个透镜如何与领先制造商的 LED 协同工作。 这些数据一般利用实验室测量值编辑而成，或通过仿真方式生成。

图 2：光度文件为详细评估透镜性能提供了足够的信息（图片来源：photometricviewer.com）。

通过使用高效光学材料和最优设计原则制造的透镜，可以高效发射紧密控制型光束产生的流明。 图 3 所示为全内反射 (TIR) 透镜的作用机理，这种透镜是 LEDiL 等主要透镜供应商的标准产品系列中的常用类型。 透镜作为一种基本准直器，收集由 LED 芯片发出且以大量不同入射角进入的光线，然后产生一束单向集中光线。 典型的 TIR 透镜类似圆锥体透镜，且通常采用旋转对称形式。 这些透镜也可以是单透镜或者以阵列形式制造，用于配合使用多芯 LED 光源，而且这些透镜可以加入内置功能，以便固定到 LED 或电路板上。

图 3：TIR 透镜在对称射灯应用中实现了高性能

TIR 透镜的准直特性可用于生产纯粹的射灯，这种射灯可向严格定义的区域照射高强光。 然而，设计人员可能希望在不同的应用和环境中产生多变的照明效果。 高强度或散射照明的更平滑分布可能会令人满意，而其它照明效果会包括如椭圆形等非对称光束或者一个极宽的光束角。 为达到这类效果，可采用许多方法来调节透镜特性，包括车削透镜上表面。

LEDiL 的标准系列 TIR 透镜 为设计人员带来了各种选择，包括平滑、散射、中等宽度和宽视角版本，以及能进行椭圆形照射的透镜。 实现这些效果的方法是在透镜上表面形成一个类似于昆虫复眼外观的“枕头”形表面，或者一个漫射图案。 这些表面的尺寸和斜度经过调节后可用于修改准直型平面透镜的 cd/lm 峰值、FWHM 和 10% 角。 椭圆配光方式则可通过平行凹槽实现。

此处值得注意的是，简单图案易于实现较高光学效率，可超过 90%。 另一方面，通过车削准直透镜上表面的方法来产生复杂的光束图形，会显著降低光效率。 然而，从一开始就设计用于产生复杂光束图形，且不依赖车削准直器的透镜，就能克服这些限制，实现 90% 以上的光效率。 例如 LEDiL Stella-A 非对称系列产品，该系列用于 Bridgelux、Citizen、Cree 或 Philips 等制造商的单 LED，且根据不同的 LED 类型，可实现 87-93% 的效率。

透镜尺寸和定位

确保透镜相对于 LED 具有一个最优尺寸，也是实现高性能的一个重要方面。 一般来讲，较大透镜的优势是准确性更高，因此可用于确保更高的性能。 不过，这一般会增加灯具成本，而且为了适应较大透镜可能使小尺寸优势不复存在。小尺寸通常是吸引设计人员设计 LED 照明的一个关键因素。

之所以一些部件的尺寸已成为设计人员的重点考虑对象，是因为效率、光束控制和合理的价格、紧凑的尺寸之间有着非常紧密的联系。 例如，21.6 mm 圆形透镜与 Luxeon Rebel、Cree XP、OSRAM Dragon 或 Golden Dragon 以及 Nichia N119 器件等小型 LED 光源组合使用已非常普遍。 21.6 mm 被视为适合这些 LED 产品的最优尺寸，尽管如 16 mm 等较小的尺寸也可使用，而且保持超过 90% 的效率。 但是，透镜尺寸相对光源减小时，放置准确性、透镜捕获可用光线的总体性能将减弱。 光强度用 cd/lm 表示，当透镜尺寸减小时也容易下降，并且透镜尺寸小至 10 mm 时效率可能降至 80-85%。 另一方面，使用尺寸明显大于 21.6 mm 的透镜时性能提升却不会明显。 尺寸在 26 mm 至 30 mm 之间或更大尺寸的透镜通常仅用于特殊应用，这些应用需要一种要求总 FWHM 在 3-4 度之内的极窄配光，或者在这些应用中由多个光学元件形成复杂的配光。

为达到最佳效率，最理想的情况是需要透镜捕获 LED 发出的所有光线。 除了确保透镜尺寸适中外，透镜与发射器芯片的相对位置也至关重要。

目前有多种透镜正确定位方法。 Larisa-W-PIN 透镜专用于配合 Cree XQ-E 器件使用，OSRAM Oslon SSL 80 LED 在其方形本体下方带有模制定位针。 其它款式如 Lisa2-W-CLIP 宽视角或 Lisa2-RS-CLIP 真点状透镜，该透镜具有弹簧扣，用于将其固定到安装有 LED 的电路板上。 弹簧扣在生产环境下使用快速简单，且如果 PCB 尺寸能够控制在紧公差范围内，则弹簧扣固定高效、准确。

其它的透镜固定方法包括液态粘合剂或者汽车级胶带，这些方法粘合强度高，可随意定位透镜，而无需依赖任何预先加工好的功能，如用于弹簧扣的安装孔。 用于多 LED 的透镜可采用螺钉安装，如 Stradella 透镜阵列 等产品，或者通过销钉等其它方式安装，如采用 Cute 系列 3 透镜阵列时。 象 Cute 系列多透镜产品有助于降低如图 4 所示大型 LED 阵列的光学系统成本。

图 4：多透镜有助于减少元件数量，简化装配。

结论

为实现 LED 照明，必须尽可能利用 LED 发出的光，以发挥其最大潜能。 固然光学系统的设计极为重要，但始终必须在光强、光传播以及透镜成本、尺寸和易装配方面进行折中。 通过了解用于确定光学元件及其相关性的关键参数，设计人员应能评估各种可能的选项，并作出最满足设计要求的选择。