Ngay cả những nguồn ánh sáng hiệu quả nhất cũng sẽ trở nên vô ích nếu không có hệ thống quang học tốt. Theo ông Nadarajah Narendran, giám đốc nghiên cứu tại Trung tâm nghiên cứu chiếu sáng (LRC), một chiếc đèn huỳnh quang compact có thể mất tới 70% ánh sáng nếu được kết hợp với một ống kính không thích hợp. Đèn LED cũng sẽ không tồn tại mà không có hệ thống quang học thích hợp.
Việc thiết kế ống kính và gương phản xạ cho chiếu sáng trạng thái rắn đòi hỏi nhiều yêu cầu hơn là việc chỉ phản chiếu các tia sáng đi không đúng hướng. Vâng, đèn LED cũng là đèn, nhưng cách mà chúng phát ra ánh sáng khác hơn so với các loại đèn khác. Các loại đèn sợi đốt phát ra ánh sáng 360 độ xung quanh nó nhưng đèn LED phát sáng theo hướng, góc chiếu sáng chỉ 180 độ. Điều này xuất phát từ thiết kế của chip LED, thường bao gồm: một hoặc nhiều chip bán dẫn, được gắn trên vật liệu dẫn nhiệt; một thấu kính hoặc một lớp bao che cho khuôn; và các thành phần khác để điều chỉnh nhiệt và điện.
Đèn thông thường phát ra ánh sáng thông qua bức xạ hoặc huỳnh quang. Nguồn sáng được bao quanh bởi thủy tinh, kim loại và tấm phản xạ acrylic để thu ánh sáng xung quanh, và chuyển hướng chúng vào nơi chỉ định.
Mặc dù ánh sáng từ đèn LED tập trung hơn, nhưng sự phân bố này vẫn rộng cho hầu hết các ứng dụng, và ánh sáng thiếu cường độ hơn là khoảng cách. Do đó, đèn LED và đồ đạc thường kết hợp một hoặc nhiều quang học thứ cấp, bao gồm thấu kính, phản xạ (chóa đèn), quang học phản xạ toàn bộ (TIR) (thấu kính và phản xạ) và các bộ khuếch tán thu thập ánh sáng, chúng hỗ trợ làm tăng cường độ, trực tiếp đến một bề mặt mục tiêu, và sau đó làm mờ nó để tăng cường tia sáng và độ đồng đều màu sắc.
Lựa chọn ống kính thích hợp phụ thuộc vào ứng dụng. Ông Frank Shum, phó chủ tịch phụ trách các sản phẩm đèn LED cho Soraa, nói: “Những phản xạ và các ống kính TIR, phổ biến trong LED MR16s và đèn chiếu theo hướng, đều có ưu điểm và nhược điểm khác nhau.”
Phản xạ
Các chóa phản xạ dễ tích hợp hơn và ít tốn kém hơn trong sản xuất so với các ống kính TIR. Chúng truyền ánh sáng vào các tia song song như thế nào phụ thuộc một phần vào hình dạng của chúng. Mặt hoặc phân đoạn bề mặt có thể cải thiện tính đồng nhất của chùm tia, cũng như có thể áp dụng các kết cấu khác nhau. Nếu cần khuếch tán ánh sáng có thể sử dụng thêm thấu kính.
Nhưng phản xạ không thể giải quyết được mọi thứ. Ánh sáng từ đèn LED có thể trượt qua các gương phản xạ, và ánh sáng tràn ra ngoài góc chiếu sáng mong muốn, hay tệ hơn gây ra chói. Hơn nữa, nhiều gương phản xạ được phủ hơi bằng nhôm, một chất dẫn điện có thể gây ra sự thiếu điện. Các nhà sản xuất có thể tách tấm phản xạ và bảng mạch LED với một vật liệu cách điện, nhưng khoảng các từ chip LED đến tấm phản xạ, càng ít ánh sáng mà tấm phản xạ thu được ánh sáng và chuyển hướng chúng.
Vấn đề kích cỡ
Tỷ lệ kích thước của một gói LED tới quang học xác định góc chiếu sáng. Nghĩa là, góc chiếu sáng hẹp sẽ yêu cầu nguồn sáng nhỏ hơn hoặc ống kính lớn hơn. Lựa chọn thứ nhất (nguồn sáng nhỏ hơn) có thể ảnh hưởng đến sản lượng trong khi lựa chọn thứ hai có thể gây khó khăn trong thiết kế bộ vỏ của các đèn có kích thước nhỏ.
Tuy nhiên, kích thước chip LED vẫn đang có xu hướng tăng lên, do nhu cầu thông lượng và sự tiện lợi cao. Các nhà sản xuất LED sử dụng các loại chip LED như chip-on-board (COB), đang trở nên phổ biến hơn và có thể sản xuất từ 600 đến 60.000 lumen từ 6W đến 500W. Đèn LED COB bao gồm nhiều bộ phận chết được nối để hoạt động như một thiết bị điện và lắp vào đế ceramic. Chúng được thiết kế để tạo ra một nhiệt độ màu nhất định và công suất lumen.
Mảng COB tốt hơn trong các ứng dụng ít quan trọng trong việc kiểm soát chùm tia như đèn pha, đèn nhà xưởng, đèn đường. Thêm vào đó chúng cũng yêu cầu hệ thống quang học đơn giản hơn. Thông thường, chỉ cần sử dụng một thấu kính là đủ.
Khi các nhà sản xuất tiếp tục khám phá những cơ hội độc đáo cho đèn LED, sự thúc đẩy cho hiệu quả cao sẽ giới thiệu các vật liệu mới và các giải pháp quang học tùy biến hơn. Công nghệ in 3D đang đẩy mạnh việc tạo mẫu và in ống kính theo yêu cầu. Những phát triển như vậy sẽ đẩy mạnh hơn nữa tầm quan trọng của ánh sáng trạng thái rắn (đèn LED) như là một nguồn chiếu sáng không chỉ hiệu quả, mà con dễ kiểm soát.
