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LED室内照明灯具的配光解读
作者：ledth/整理 来源：新世纪LED论坛()
导读：灯具本身的基本作用是提供与光源的电气连接，而在一般情况下，用户最关心的是这一盏灯是否能够照亮我们希望它照亮的地方，是否使我们感觉舒适;然而，对于职业的照明设计师而言，他除了要熟知各种灯体的选材、透镜及反光系统之外，还必须根据灯具的配光曲线了解灯具投射的光斑质量，计算灯具的效率及空间内任意点的照度值，以此还可以计算空间区域内的照度分布情况。
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　　在各种照明场所中，灯具的重要性不言而喻。灯具本身的基本作用是提供与光源的电气连接，而在一般情况下，用户最关心的是这一盏灯是否能够照亮我们希望它照亮的地方，是否使我们感觉舒适;然而，对于职业的照明设计师而言，他除了要熟知各种灯体的选材、透镜及反光系统之外，还必须根据灯具的配光曲线了解灯具投射的光斑质量，计算灯具的效率及空间内任意点的照度值，以此还可以计算空间区域内的照度分布情况。因而，我们可以毫不夸张地说，灯具的配光曲线是灯具的生命线。在此，我们就一起来探讨一下，LED室内照明灯具的配光究竟是如何一回事。
　　1、配光曲线的概念
　　配光曲线的定义：
　　配光曲线其实就是表示一个灯具或光源发射出的光在空间中的分布情况。它可以记录灯具的光通量、光源数量、功率、功率因数、灯具尺寸、灯具效率包括灯具制造商、型号的等信息。当然最关键的还是记录了灯具在各个方向上的光强。
　　配光曲线的分类：
　　配光曲线按照其对称性质通常可分为：轴向对称、对称和非对称配光。
　　轴向对称：又被称为旋转对称，指各个方向上的配光曲线都是基本对称的，一般的筒灯、工矿灯都是这样的配光。
　　对称：当灯具C0&和C180&剖面配光对称，同时C90&和C270&剖面配光对称时，这样的配光曲线称为对称配光非对称：就是指C0&-180&和C90&- 270&任意一个剖面配光不对称的情况。
　　配光曲线按照其光束角度通常可分为：
　　窄配光(& 20&)
　　中配光(20&& 40&)
　　宽配光(& 40&)
　　其实没有严格的定义各个厂家的对宽、中、窄的定义也略有不同。
　　说了半天的定义和分类。下面我们来看点实在的东西&&支架的配光曲线图：
　　这里的第一张图就是我们最为常见的极坐标配光曲线图了，要想读懂它首先要知道T 和A这2 条曲线分别来自哪。在图形下面有注释：T = C0&-180&A = C90&-270&这个C 表示的是水平面的角度(立体角是由水平角度和垂直角度2 个角度组成)。0&-180&组成了一个剖面，T 就是表示光在这个剖面上的分布情况。在支架中C0&-180&一般被定义为垂直与灯管方向的。同理A 就是表示光在C90&-270&剖面上的分布情况。如下图：
　　知道了T 和A 两条曲线表示的剖面后，我们继续看看这每条曲线是如何来的。
　　极坐标图的原点(同心圆圆心处)为灯具发光面的中心;
　　每个同心圆表示一个光强值，越靠外圈光强越大;
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更多关于 &&&&&&&&&&&& 的技术资料我们已知光在空气和水分界面发生折射时的规律，光在其他透明介质的分界面发生折射时有什么规律呢？为了研究这个问题，小明做了如下实验：让一激光手电筒射出的光束从水斜射入玻璃，再从玻璃依次斜射入冰、空气中，其光路如图所示．然后老师又告诉他光在一些透明介质中的传播速度，如下表．
（1）针对小明提出的问题，仔细观察图中的光路，对照表格中的数据进行分析，可以得出结论：光斜射时，光速越小的，折射角越小．
（2）根据你得出的结论，请在图中画出光由玻璃斜射入酒精时，折射光线的大致位置．
（3）物理老师在实验室用某种方法在长方形玻璃缸内配制了一些白糖水．两天后，同学们来到实验室上课，一位同学用激光笔从玻璃缸的外侧将光线斜向上射入白糖水，发现了一个奇特的现象：白糖水中的光路不是直线，而是一条向下弯曲的曲线，如图所示．关于对这个现象的解释，同学们提出了以下猜想，其中能合理解释该现象的猜想是&（ C）
A．玻璃缸的折射作用
B．激光笔发出的光线不绝对平行
C．白糖水的密度不是均匀的，越深密度越大
D．激光笔发出的各种颜色的光发生了色散
解：（1）仔细观察图中的光路，对照表格中的数据进行分析，可以得出结论：光斜射时，光速越小的折射角越小；
（2）根据表格中的数据可知：光在酒精中的速度小于光在玻璃中的速度，所以折射角小．如图
（3）光在均匀介质中是沿直线传播的，现在激光发生了偏折，一定是糖水的密度不均匀．
本题是对光的折射规律的研究和探讨，以及光沿直线传播的条件是：均匀介质．从配光曲线看LED光源设计的合理性
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摘要：对于大部分LED光源，其发光角度和光强分布为110度至120度的郎伯分布，如果没有经过配光设计，光源发出的光将不能合理而有效的利用，不符人类对各种应用场合的照明要求。因此，一个良好的照明灯具必须进行全面的光学设计。
关键词：&&&&&&&&&&&
【高工LED专稿】
一个完整的照明灯具必须符合应用场合对照明光学的要求，因此对光源的光学设计就变得尤为重要。
　　对于大部分LED光源，其发光角度和光强分布为110度至120度的郎伯分布，如果没有经过配光设计，光源发出的光将不能合理而有效的利用，不符人类对各种应用场合的照明要求。因此，一个良好的照明灯具必须进行全面的光学设计。
　　LED照明灯具的光学设计包括一次光学设计和二次光学设计。在把LED芯片封装成LED光源的过程中必须进行光学设计，这种设计被定义为一次光学设计。它决定了光源芯片的出光角度、光通量大小、光强分布和色温范围等。将LED光源应用到具体产品时，整个系统的出光效率、光强、色温的分布状况也必须进行设计，称为二次光学设计。
　　LED发光器件的二次光学设计是在一次光学设计的基础上进行的。一次光学设计保证了每个LED发光芯片的出光质量，二次光学设计则保证整个发光器件(或灯具)的出光质量和发光效率。
　　对LED芯片进行一次光学设计，目的是将其发出的光能尽量多地取出，而二次光学设计是把LED灯具发出的光线照射到期望的方向上，从而让整个灯具系统发出的光能达到设计的需要。
　　LED光学设计原理
　　1.1 配光曲线
　　光源发出的光在空间里的分布差异很大，有的向四周散开，比如裸光源发出的光，也有集中于一束范围，如投光灯发出的光。为了表示光源完整的空间光强分布，一个合适的表示方法就非常重要。
　　配光曲线即为这样的一个表示方法。配光曲线表示一个灯具或光源发射出的光在空间中的分布情况，它记录了灯具的光强分布、光通量、功率、灯具制造商与型号等信息。
　　配光曲线一般有三种表示方法：一是极坐标法；二是直角坐标法，如图1-1所示；三是等光强曲线图，其中前两种方法较为常用。
　　极坐标法多用于宽配光的灯具中，这种灯具一般是旋转对称型，因此使用极坐标法可以很好地表示配光曲线；直角坐标法常用于窄配光型的灯具中，如聚光灯、投射灯等；等光强曲线图是最好的表示方法，常用在面板灯、灯管型等灯具中，这种灯具的光强分布为椭圆形或类椭圆形。
　　1.2 LED光源的两次光学设计
　　传统照明灯具如白炽灯，因点光源发光特性，光线在空间各个方向均匀发散，使其光学设计较为简单。然而，LED属面光源发光，具有完全不同的发光角度和光强分布。
　　另一方面，白炽灯的发光光谱近似于黑体发光光谱，而白光LED则是通过不同颜色光的混色原理而得到的，如蓝光激发YAG黄色荧光粉得到黄光后混合得到白光，或者RGB的混色原理。因此，白光LED不是连续光谱，其色温、显色指数等相比于白炽灯要相差许多，所以对白光LED灯的光学设计就变得极其重要。
　　LED灯的光学设计包括两次光学设计：一次光学设计和二次光学设计。
　　由于LED属半导体照明，其发光源是利用半导体化合物制成的芯片，发光原理不同于白炽灯的热辐射发光和荧光灯的发光原理。为达到高的发光效率和光取出率，对LED发光芯片和封装结构需要进行光学方面的结构设计等工作，这种设计我们称为一次光学设计。
　　在LED封装完成后，应用于照明、显示等方面，在这个过程中需要考虑灯具的光强分布、发光角度等，因此也必须进行光学设计，这种光设计我们称为二次光学设计。
　　1.2.1 一次光学设计
　　从外延片制作成LED发光芯片，到把LED芯片封装成一个发光器件，一个很重要的方面是如何达到高的出光效率和符合不同出光要求，这也是LED&一次光学&设计要解决的问题。
　　LED芯片的发光层处于P型和N型半导体材料之间，光需要穿过材料介质射出到空间中，而材料介质的高折射率使出光角度仅在三十几度，导致大量的光无法射出而被吸收转化成晶格振动，产生大量的热量；热量直接导致芯片的结温上升，发光效率下降，发生严重的光衰现象。
　　为解决这个问题，目前的技术手段有对芯片进行表面粗化处理、芯片形状采用倒梯形结构设计等，这些所用的技术处理都属于一次光学设计。
　　在封装过程中，我们通过发光芯片和荧光粉的组合来实现白光，但这种方式中我们需要兼顾到色温。这些问题我们也都需要一次光学设计来解决。
　　一次光学设计主要是针对芯片、支架、模粒这三要素的设计。目的是提高出光效率、解决色温的范围与分布等。一次光学设计主要进行以下几方面的工作：芯片的表面粗化、芯片倒梯形结构的设计、支架反光杯抛物线的优化、在封装中加透明透镜等。
　　1.2.2 二次光学设计
　　一次光学设计完成后，LED被用于照明灯具的发光光源。这个过程中的光学设计属于二次光学设计。
　　与照相机镜头的光学设计不同，LED的二次光学设计属于非成像光学范畴，直接面向使用场合的要求，使灯具的照明效果最优化，且必须在一次光学设计的基础上进行，主要对灯具反光杯、光源与透镜来进行设计。
　　目前，市场中LED照明灯具的二次光学设计还比较粗糙，主要从传统照明灯具改造而来，还未能真正结合LED光源自身的特点来进行设计。
　　LED光源灯具的光学设计主要采用反光杯来控制光分布，其基本形式主要有椭圆面反射器、球面反射器、双曲面反射器和抛物面反射器。这些反射器材料使用最广泛的是铝，铝不生锈、质地轻且易于加工成型。经过电镀、机械和化学等工艺抛光处理后，具有很高的反射率，具有良好的镜面性。
　　LED球泡灯光学参数的测试及分析
　　2.1 几种LED球泡灯具的配光曲线测试
　　实验使用的仪器为灯具配光曲线测试仪，其主要构造如图2-1所示：
　　该测试仪主要测量对象为具有杯形灯罩的灯具，测量参数为经过灯具光学中心且垂直于灯具口面的水平平面内的光强分布曲线，可以分别用极坐标图和直角坐标图表示，以及各个测试点的光强数据。整个测试过程由程序自动控制完成，同时，用户也可以手动使灯具绕水平轴转动，观察垂直于灯具口面的不同平面内的光强分布曲线。
　　试验中测试了目前市场中多家公司生产的各种瓦数的LED球泡灯具，经结果分析得出一些结论。以下选取了某些公司生产的3W(大功率芯片)、3W(小功率芯片)、5W(大功率芯片)三款LED球泡灯具配光曲线测试的实验结果进行分析。
　　2.2 几种产品测试实验结果与分析
　　(1)3W(大功率芯片)LED球泡灯：
　　该灯具的实物图片如图2-2所示。它的发光光源由大功率芯片组成，灯头为螺旋式接口，可以直接替代白炽灯使用。
　　在配光曲线测试试验中，我们测得该灯具的配光曲线如图2-3所示，左图为极坐标表示法，右图为直角坐标表示法。
　　该配光曲线选取的平面为C0-180度平面。从配光曲线我们可以看出，首先该灯具的发光强度最大值处不在光源的轴向方向，而是发生了一定角度的偏离，这将造成灯具的照明视场的偏差。第二，通常我们选取灯具发光强度是其最大值的一半时对应的角度为该灯具的发光角度，因此根据该定义，测试灯具的发光角度小于30度，在轴向方向30度以外的地方灯具辐射的光通量很小。这个缺点我们从图2-4照度分布图来看将会更明显：
　　从有效平均照度图中我们可以明显的看到 该球泡灯具的发光角度小于30度，光强分布在30度范围外很少。对于这样的光强分布将造成灯具照明视场有一个明显的中央光斑，边缘处亮度很小，这将很容易形成眩光。
　　(2)3W LED玉米灯：
　　该灯具的实物图片如图2-5所示。它的光源由很多小功率的芯片组成，与大功率球泡灯的光源相比，该灯具的侧面和正面都有光源分布。在光源外面，如白炽灯一样包围着一玻璃球泡。
　　用配光曲线测试仪测得该球泡灯具的配光曲线如图2-6所示：
　　配光曲线选取的平面为C0-180度平面。从曲线图中我们看出，配光曲线的左右两侧大约在30度方向有最大的发光强度，在中心0度方向曲线存在一中央凹陷，另外从右图直角坐标表示法中我们可以看到，该球泡灯具的发光角度在150度左右，属于宽配光。
　　配光曲线按照其对称性通常可分为轴向对称、对称和非对称配光。轴向对称又称为旋转对称，指各个方向的配光曲线都是基本对称的。
　　从配光曲线及灯具外形，我们可以基本判定这款球泡灯具属于轴向对称型配光。因此，这款球泡灯具在配光曲线上虽然在中心0度方向上存在一中央凹陷，但与发光强度最强处对比偏小不多，照明效果上不会出现一圆形光环。同时，其150度左右的发光角度保证了照明视场的足够大，且没有出现光分布突变的情况，因此该灯具较好的做到了光学设计。
　　(3)5W(大功率芯片)LED球泡灯：
　　该灯具的实物图片如右图所示。它的外形与3W大功率芯片球泡灯相似，灯头也是螺旋形接口形式，不同的是其发光芯片的位置。
　　用配光曲线测试仪测得该球泡灯具的配光曲线如图2-8所示：
　　同样，该配光曲线选取的平面为C0-180度平面。从配光曲线图我们可以看到，该球泡灯具的发光强度最强处在离中心轴15度左右的方向，最强处为一陡峰峰值，且呈现左右最强处不对称的情况。在中心0度方向曲线同样出现了中央凹陷，发光强度相差达到5cd。
　　从有效平均照度图中，我们可以看到该灯具的发光角度在101.3度，而在140度范围外发光强度基本为零。
　　因此从光强分布来看，该球泡灯具存在发光强度最强处偏离轴向方向的问题，其发光强度最强处呈现陡峰峰值，也可能出现照明视场光斑不均匀的问题。灯具的发光角度在100度以上，属于宽配光，可以基本达到室内普通照明的要求，但在照明视场边缘处，发光强度递减很快，也将出现光强突变的情况，未在视场范围内的区域只能通过反射和散射光等杂散光照明。
　　综合以上测试结果和分析，目前市场中的LED球泡灯具在光学设计方面存在不少问题和缺陷，如：(1)灯具的发光强度最大值发生偏离，造成灯具的照明视场的偏差；(2)发光角度小，造成照明视场有一个明显的中央光斑，容易形成眩光；(3)发光强度最强处呈现陡峰峰值，可能导致照明视场光斑不均匀的问题。
　　其主要的解决办法总结起来主要有以下几点：
　　1.对灯具灯珠光源的位置和组合进行结构优化，使其更利于光学设计。
　　2.对灯具透镜进行合理的曲面设计，达到光学上的要求。
　　3.在灯具光学设计中整体考虑其光学特性，达到各部件的设计相匹配，实现最优化。
(本文作者来自广东聚科照明股份有限公司)
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