淺談LED光學

世晶研發團隊                 

        傳統白織燈泡與燈管的發光原理通常包含多種不同波長的光源，包括可見光、不可見光、以及對人眼睛有害的紫外光區，長久下來可能造成眼睛的不適與疾病。

        近年來隨著LED燈的研發成果突飛猛進，具有一定的方向性、可控性以及色彩的調節性等，已經能透過螢光粉與晶片的配合有效控制光的波長，選擇適合人類視覺的光使用區段，降低對眼球的傷害避免眼疾的可能，並且隨著光電轉換效率的提升，讓LED燈的單位用電量大幅降低，有效落實節能減碳與電費成本銳減的雙重效益，因此多個國際聯合組織皆開始支持並積極推動LED燈源全面取代傳統光源。

        事實上，要能完全利用LED所帶來的多種優勢與效益，是需要機構、光學與散熱的相互搭配。以使用者的角度而言，最直接的影響就是LED所帶來的光的效果。LED為平面點光源是一種光源非常集中、單點發光亮度非常高，光源是有很強方向性的發光體，這樣的特性主要是因為封裝上的設計需求，會將LED晶片四散的光源集中往正面單邊射出，所以一般發出的光正面方向是最強的，隨著角度的增加，往周圍的強度就會慢慢減少，這一點也和以前傳統照明中燃燒火焰、加熱燈絲等點狀光源，或是螢光管的面狀光源，它們發出的光都會漫射、均勻四散的特性很不一樣[1](圖1)。

圖1 (左圖)傳統路燈使用之高壓鈉燈;(右圖)新型路燈使用之LED陣列光條

        因此為了達到傳統光源的亮度，LED通常會利用矩正排列的設計(圖1-右)，因而通常光的輸出會產生能量重疊進而產生光重影的現象(圖2)，而多光源多重影會造成”視覺疲勞”的問題[3]，長期在此現象下生活會造成眼睛的不適、視覺疲勞甚至幻覺現象，因此在設計LED燈時，如何改善此現象即為主要的關鍵考量之一。

圖2 (左圖) LED燈罩未正確搭配光學設計;(右圖)世晶綠能光罩設計保證無重影

        造成視覺疲勞的原因有很多，主要是由於長時間不恰當用眼（如近距離目視、高度緊張、閃爍、高亮度、低亮度、用眼過度等）之後，出現視覺模糊、眼脹、乾澀、流淚、眼眶酸痛等眼部癥狀甚至於發展為頭痛、眩暈、噁心、煩躁、乏力等全身不適應的一種綜合症[4]，不恰當的波長在長時間下甚至容易使眼睛產生白內障青光眼的疾病。以環境因素而言， 光照不足或過強，光源分佈不均勻或閃爍不定，注視的目標過小、過細或不穩定等，都會造成眼睛超負荷地工作，導致視疲勞。日常生活中長時間註釋或操作電腦、電視機、遊戲機等閃爍的熒光屏，是現代人容易產生視覺疲勞一個極其重要的原因。

        除了室內照明以外，為確保行車安全在戶外照明(道路照明)的部分，更需要注重光重影的問題，使用路人在道路行駛時能明確看清楚路線與所有障礙物的位置與大小，LED路燈光源需要利用機構光罩，進行一次或多次光源的折射方式將光有效從LED光源平均分配射出，混光成為單一影像保護行人及道路安全(圖3)(圖4)。

        世晶綠能在LED路燈深耕多年，從最上游的晶片與螢光粉調配到下游的生產製造已完全整合，並且在散熱模擬設計、光學分析設計上皆有完整的團隊進行研發，因此能有效利用光罩與晶片封裝方式搭配光學稜鏡設計，解決光學角度的問題，在配光範圍內任一點均為單一影像，且達到照明完全無重影，光通量依然可維持高水準的表現。

圖3 世晶綠燈展示於彰化大甲鎮瀾宮

圖4世晶綠燈展示於汶萊街道

參考資料:

[1] http://www.leddom.com.tw/2012/04/leddouble-shadow.html

[2] http://www.uuuwell.com/mytag.php?id=66925

[3] http://baike.baidu.com/view/1026202.htm