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LED RETROFIT射燈類的透鏡應用

提供光學設計和燈具光學規範評估。
精密CNC加工以及模具開發和精密成形。
規格可客製化。

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種類說明

常見LED Retrofit射燈類:

LED Retrofit射燈類,包括了常見的MR16、GU10、PAR和R燈,這類的LED射燈,是取自於傳統鹵素燈的應用。按美國能源之星的LED燈源分類,分類如下表一所示,射燈類是歸屬在「指向型」燈源的分類,前述的MR16和PAR燈,即為分類中的MR與PAR兩種射燈類。

表一 美國能源之星的LED燈源分類表
全周型(omnidirectional) 裝飾型(decorative) 指向型(directional) 非典型(non-standard)
A, BT, P, PS, S, T。 B, BA, C, CA, DC, F, G BR, ER, K, MR, PAR, R N.A.

美國能源之星做為前期LED燈源發展的一項重要指標,導引LED照明業界開發能夠直接取代傳統燈源的做法,此直接取代,即為retrofit的意義,直接把LED燈置換到傳統燈源的燈座,完成LED照明第一階段的燈源retrofit的任務。


MR為多面體反射罩(Multifaceted Reflector)的縮寫字,後面接的數字是代表燈源的開口直徑值,每8的倍數為1英吋,例MR16為例,MR接著16的數值,16除以8等於2,這意指MR16的燈源的開口直徑就是2英吋,2×2.54 = 5.08 cm,開口直徑約5公分。下圖為過去常見的傳統鹵素燈外形,從圖上可以見到有多個鱗面造型,該鱗面造型通稱為多面體(multifaceted)

Traditional MR16

光源從鹵素燈走到LED,MR16在設計架構上起了變化,傳統的多面體結構不見,取而代之的是TIR lens的技術,如下圖所述;TIR lens可以做到取代能源之星建議的等效傳統鹵素MR16的照明效果;TIR lens的技術在2010年之后快速發展並到達非常成熟,多種取代傳統鹵素MR16的做法相繼被提出。

TIR lens with multifaceted

多面體鱗甲技術是接續TIR lens開始在業界流行起來,多面體鱗甲圖樣多樣化以及結合TIR lens和薄型化鋸齒TIR-R Lens是約在2012年以后開始在各光學廠積極開發的重點技術;多面體技術是照明燈具的重要指標,我司特別針對多面體多樣技術進行基礎演算法開發,此部份,在「多面體圖樣技術」頁面再進行說明。
MR16的燈座,主要是分成GU 5.3和GU 10兩種;G代表燈具燈座是直插式的,U則表示燈座(含插腳)在外觀上是呈現U字形,數字(接續在U後)是表示兩燈腳的中心距離。因為插座不同的關係,MR16也常被稱作GU 10,緣由在此。

GU 5.3 base of MR16
GU 10 base of MR16

PAR為拋物線反射罩(parabolic aluminized reflector)的縮寫字,意思是雙曲線形式的鍍鋁反射杯,如下圖所示,在杯身的處鍍鋁,讓光可以有效反射向E處打出;PAR後面接的數字是代表開口直徑值,規定每8的倍數為1英吋;舉PAR 20為例,除以8,就是2.5,開口直徑值就是2.5英吋,單位轉成公制是2.5×2.54cm =6.35cm,PAR20的開口直徑約為長6.35公分(常標注為65mm)。

Traditional PAR Lamp

PAR燈常見尺寸整理如下表二;在市場主流大宗為PAR16、PAR30和PAR38,對應的開口直徑可在下表找到。和MR16類似的情況,原本舊的燈源架構的形式,已經沒有反射杯身,改採TIR lens做為二次光學調整光斑的光學元件,如下圖為PAR30採用TIR lens為例的圖示。

表二 常見PAR燈編號的規格
直徑
(inch)
標注直徑
(mm)
PAR64 8 200
PAR56 7 175
PAR46 5.75 145
PAR38 4.75 120
PAR36 4.5 115
PAR30 3.75 95
PAR20 2.5 65
PAR16 2 50

LED PAR30 lamp

在PAR燈座方面,由於是retrofit燈源,所以燈座不變,與傳統PAR燈共用螺口燈座(如下圖所示),用英文單字E代表螺口型燈座,和前述的GU的方式接近,E方面帶出的數值,是表示螺口接口的直徑值,常見的有E14、E16、E27和E40,舉E27為例,對應的螺口直徑為27mm。

LED PAR30 lamp
表三 GE PAR的外觀以及規格說明
GE PAR20 Lamp GE PAR20 Lamp
GE PAR20 spec GE PAR20 spec
*GE PAR20圖片與規格,是取自GE的規格書,非本公司產品。

在表三的規格說明中,與TIR lens相關的規格值是Beam Spread( Beam angle),以及Center Beam Candlepower (CBCP),此兩項光學照明的值,除了可以用來讓照明設計者或燈源使用者去規劃與使用該燈源之外,在能源之星的建議值,可以做為取代傳統多少瓦鹵素燈的等效照明能力(非直接按功率來做取代);這些照明指標的意義,會在稍后做說明;美國能源之星的照明相關規範,會在他頁進行更詳細的解說。

射燈的照明指標的說明

如何描述有空間中的光的分佈情況,是難以表達的,在LED行業早期,前人就採用了的半峰全寬(Full Width at Half Maximum, FWHM)做為光強的描述,描述是是光強最大值的一半所佔的角度幅寬,如下圖所表示,。

FWHM

FWHM的好處是,可以簡單的用一個數值,來粗略描述出光在空間中的光形分佈,舉例來說,FWHM為120°和30°的光形,表列如下圖,很明顯可以看到,光形120°的在空間的分佈就會比30°的來得照射範圍大,同時光的變化較為平緩。

表四 FWHM 120°和30°的圖示舉例
FWHM 120 degree FWHM 120 degree
FWHM 30 degree FWHM 30 degree

FWHM指標在LED產業運用了幾十年,是LED產業中非常重要的指標;在近年來,LED照明興起,FWHM指標應用到照明時,卻略顯不足;舉例來說,在下圖紅色線和藍色線都同樣是FWHM值10°的光形分佈,但該圖很明顯表示出,紅色和藍色線是不同的光形分佈。

FWHM – different view angle FWHM – different view angle

單純以FWHM的指標做為光在空間中分佈的指標,實際在照明應用,的確會有不足;在LED照明應用的近年來,逐漸重視最大值的10%的角度幅寬,通稱場角度(View Angle);同時使用FWHM以及View Angle兩項指標,可以避免掉上圖中的誤區,重新用此兩指標做描述,上圖中的紅色線是10°@20°,藍色線為10°@70°,這樣子就能用兩個指標很明顯區別出此兩光形分佈是不同的。View Angle指標在照明應用,可以做為描述光暈的程度,View Angle與FWHM的角度值差異很小,代表光暈很少(截止佳),相對的,差異很大,代表光暈很廣(截光不佳),從下列圖示可以明顯看出角度差異的光斑效果。

FWHM 20° – View angle 90° FWHM 20° – View angle 90°
FWHM 18° – View angle 40° FWHM 18° – View angle 40°
light pattern 20_90° light pattern 20_90
light pattern 18_40 light pattern 18_40

FWHM的另外一個說法,是稱為光束開角度(Beam Angle),Beam Angle更常見於應用在LED元件的規格書上的稱呼,定義和FWHM是一樣的,只是多數的LED是呈現接近旋轉對稱的,所以常會用單一值做為LED光形的描述(假設旋轉對稱),若為橢圓光形,則會用兩個Beam Angle值來做光形的指標。

加工說明

當前業界主流使用的高速CNC銑床,並配合三軸、四軸或五軸CNC進行加工,視應用的透鏡設計而異,舉如旋轉對稱型的透鏡,那麼採用三軸30000轉的一般精密CNC即可;若為非對稱自由曲面設計,或是要求表面光潔度很高,此時可以選擇四軸或五軸60000轉的CNC,可以得到面型甚佳的加工效果。