LED灯具设计中的二次光学优化选择

（1）光学系统选项。

LED灯具的二次光学设计即在LED封装完成之后在LED元件之外进行的光学设计，它在整个灯具设计过程中非常重要，在整个灯具的整体设计流程中应该是优先考虑的一个环节。常用反射式LED二次光学设计有：

1）反射式的二次光学设计。反射式的二次光学设计主要是利用各种二次曲线独立或组合成反射器，并在反射面镀反射率高的银、铝或铬等材料。在这种结构中有接近50%的光线是直接射出的，经过反射面反射的光线也能通过膜层对反射率的控制减小吸收损失，因此反射式设计能实现较高的灯具发光效率。

但LED是向半空间发光的光源，一般结构反射器对光源包络角有限，不易实现宽角度的蝙蝠翼配光，需要多列反射器依一定角度来排列配合，或者改变反射器和光源的相对位置来增大反射器包络角。前一种解决办法需要增加灯具底座结构和LED发光阵列的配合程度，后一种方式要求反射器曲面形状的设计趋于精细，有时应考虑采用自由曲面反射器以满足配光要求。

2）折射式的二次光学设计。在对照明均匀度有较高要求的场合，可考虑采用基于配光透镜的二次光学设计。配光透镜的功能是在被照面产生矩形的亮度均匀的照明光斑。现有LED的光强分布多是关于主光轴旋转对称的朗伯分布（朗伯分布即散射向各个方向的辐射强度一致）。要将旋转对称的光分布重新分配，形成最终的矩形光斑就决定了配光透镜必须是自由曲面的光学透镜。

3）反射和折射相结合的二次光学设计。单纯用非球面反射器的结构由于包络角有限，有一部分光线将从透镜四周漏出，不能得到有效利用。因此有必要在透镜的结构上再增加反射器，对LED光通量进行充分有效的收集和利用。另外，一种非球面的复眼透镜也是产生均匀光斑的有效结构，采用复眼透镜（一系列小透镜组合而成）的二次光学器件也是由反光杯和透镜组合而成的，反光杯收集光线并将其调制为相对平行的光束后再由复眼透镜将光以一定角度发散出去，这种结构机理明晰，可达到均匀舒适的照明效果。

在商业照明领域，目前国内常用的光学软件主要分为两类：照明工程设计软件和灯具配光设计软件，照明工程设计软件的作用是依据已有的标准化灯具制定一套最佳的使用方案，为用户提供最好的视觉需求。目前，常见的照明工程设计软件有DIALux、OxyTech等；灯具配光设计软件的作用是依据光源的特点以及期望的光学效果设计出相应的光学器件。

以LED灯具为例，反光杯和透镜就是常用的实现期望光学效果的光学器件。

1）裸LED和现有灯具反射器。现有CFL灯具的角度和LED的角度非常相似，因此，若选择不使用次级光学器件，可使成本最低，并且系统光损失最小。而且该方法使用的元件较少，所用费用也较少，可使照明系统组装更简单并且费用更低。缺点是会出现多照明阴影效应，如果LED的光分布与目标照明的光分布差异很大，就不能采用此方法，应采用次级光学器件。

2）带有次级光学器件（如透镜和扩散片）的LED和现有灯具反射器。次级光学器件是除LED初级光学器件外附加的光学元件，用于对LED的光输出进行整形。一般的次级光学器件类型为反射（光从某个表面反射回）或折射（光通过折射材料弯曲，折射材料通常为玻璃或塑料）。次级光学器件可以通过购买标准件、现成的零件或用照明模型通过光线跟踪模拟来设计定制。

每只LED使用一个次级光学器件，各LED的光束角度可以定制，从而得到所需的准确光输出。例如，可以缩小各LED的光束角度，来优化点照明，但不能优化普通照明。采用次级光学器件存在以下缺点：

●因为增加了元件并且装配较复杂，所以照明的成本较高。

●由于光学器件连接到各LED上，可能仍然存在多照明阴影。

●次级光学器件会降低光学系统的功效。(www.xing528.com)

3）不是每只LED都需要使用一个光学器件，整个LED阵列可以使用一个漫射器来传播光。这种方法的优点是光束角度比裸LED能达到的光束角度宽，并且消除了多照明阴影效应，此外，光照度分布、多源阴影效应和美观度通常也决定了光学系统的选择。

常见的LED用光学器件形式有反光杯和透镜，各有优点和局限性，应该根据需要来选择。相比于反光杯，透镜对光的损耗要大，而且透镜还存在色散问题。但是，在处理小角度（例如光束角20°以下）的配光需求时，反光杯会显得不方便，而透镜则比较容易处理。

（2）热系统选项

灯体的热结构设计是制作LED灯具的一个不容忽视的问题，在热设计中最低成本方法是将现有设计的灯具壳体作为LED照明的灯具壳体，但在设计时不能采用这种方法，因多数现有灯具壳体都是钢制的，热导性较差。一般来说，选择钢罩不利于散热。如在设计中购买成品的散热片，虽然这种成品的散热片的设计经过验证，制造商有完整的技术指标，但其性能、尺寸和形状可能没有面向目标应用而优化。又如采用定制方案虽然为应用提供了优化散热片，但设计中需要利用热仿真软件，或根据目标应用及LED的特性进行热设计。加工和制造费用可能使定制散热片的单位成本高于成品散热片的成本。

一般来说，在降低成本比最高环境温度更重要的情况下，选成品散热片更好。在最高环境温度更重要的情况下，选定制散热片更优（如室外照明或条件不好的室内照明）。

对于室内照明应用来说，最高环境温度为62℃是可以接受，对需要最高环境温度更高的工作环境，既可以提高最大结温（可能影响使用寿命），也可以改进热系统的热阻值（例如选择更好的散热片）。

（3）电气系统选项

LED灯具的电源系统也与传统光源不同，LED对驱动电路的要求是能保证恒流输出特性，由于LED正向工作时结电压相对变化区域很小，所以保证了LED驱动电流的恒定也就基本保证了LED输出功率的恒定。

要想使LED驱动电路具有恒流特性，从驱动电路的输出端向内看，其输出内阻抗必定是高的。工作时，负载电流也同样通过这一输出内阻抗，假如驱动电源为线性恒流源电路或通用的开关电源加电阻电路组成，在其上将消耗很大的有功功率，所以此两类驱动电路在基本满足恒流输出的条件下，效率是不可能高的。优化的设计是采用有源电子开关电路或采用高频电流来驱动LED，采用上述两种设计可以使驱动电路在保持良好的恒流输出特性的状态下，仍具有很高的转换效率。

目前LED驱动电路中主要有以下两种驱动器。

1）成品LED驱动器。由于成品LED驱动器具有参考电路设计，即对所有器件都进行电磁干扰和安全测试，并且一般来说，批量情况下每单位的成本最低。所以，使用成品LED驱动器将节省LED灯具的设计时间和成本。缺点是成品LED驱动器的效率通常在80%左右，因生产商的技术水平不同，使LED驱动器的性能有较大差异，而使LED使用寿命和工作温度有可能出现问题。

2）定制设计LED驱动器。随着LED照明的应用逐渐普及，更多的LED驱动器针对应用领域进行了优化设计，使效率更高，并且能获得管理部门的认可，但可能延长LED灯具的开发时间。就目前大功率LED成品特性而言，总照明效率的提高受LED本身的影响比受驱动器的影响要大。在通用的LED产品的开发中，采用成品LED驱动器尽快完成产品设计，可能比定制设计优化的LED驱动器要有利。