【摘要】通过分析照明工程的灯具解决方案以及LED照明产品的设计与应用后，发现三大问题：1）大部分室内传统的照明灯具大部分只有单一的照射角度、不具备调焦的功能，光的有效利用低，而且仅在非常专业的舞台灯光及户外景观应用的领域才用到可变焦的照明灯具产品。2）由于变焦的技术及灯具的成本昂贵，耗能大，体积大，不适宜商业和家用照明广泛应用，市场占有率少。3）极少同类的LED技术和相关产品。本文通过技术应用、模组的整体设计、制作工艺与其他技术结合几大方面去探讨和研发出可解决以上LED照明应用问题的LED变焦模组与相关技术。
【关键词】LED变焦模组；可调光束角；光的高效利用；商业照明；家用照明
Abstract： Three significant problems are turned out after analyzing to lighting solutions from lighting projects and the designs and applicatons of LED lighting products: 1) Most traditional interior lighting lamps have single illumination beam angle which is not zoomable, leading to low lighting efficiency in application; only if in the professional stage lighting application, zoomable lighting products are used. 2) Existing zoombale lighting products are inappropriatedly and not wildly utilied in commercial and home lighting, which is in low market volume. 3) Congeneric LED technique and related products are rarely found. This assignment is to explore and develop the LED zoomable module and related techinique, which can solve the problems mentioned above, in terms of technique application, modele design, production processing and combination to other technology.
KEY WORDS: LED BEAM-ANGLE-ZOOMABLE LIGHTING MODULE,DIMMABLE BEAM ANGLE,HIGH EFFICIENY ILLUMINATION,COMMERCIAL LIGHTING,HOME LIGHTING
引言
传统的照明灯具只有单一的照射光束角的结构，在整体照明环境的应用中，安装好的灯具只能实现单一的灯光需求。在市面上，可变焦调节的照明产品仅应用在非常专业的舞台灯光领域，而且其结构复杂、生产工艺难、成本价格高昂。因此，这样的灯具导致整体照明的应用受限，同时降低光的有效利用率降，而变焦的照明产品的大众应用市场占有率非常小，尤其在室内商业照明和家用照明领域。近几年，LED照明的应用爆发式增长，尤其室内照明的份额，预计到2015年国内室内照明市场份额达30亿元（如下图1）。我们通过研究和设计特定的壳体、LED光源、散热器、前盖和凸透镜等部件，从整体上设计与开发了此LED变焦灯的技术和构件。基于LED室内应用的巨大潜在市场以及目前的LED传统灯具的变焦技术应用的空缺，新型的LED变焦灯构件的研发极具的市场和实际应用的意义。
此技术和模组实现了光束角的可调节的变焦功能，同时可直接应用在传统的各种LED灯具上，技术的延伸性和兼容性强。由于集合了LED光源的体积小、节能、光效高等特性，便于整个构件（模组）的整体设计，可减小变焦构件的体积、降低生产与应用的成本。因此，可应用到专业照明、商业照明、家用照明等室内照明领域，突破了传统照明灯具的限制，其潜在的应用市场巨大。
解决目前应用问题：1、解决传统灯具只有单一光束角不可调；2、简化变焦结构的复杂结构，从专业照明应用市场延伸到大众照明市场，便于大批量生产及推广与应用；3、突破室内灯具的小体积设计及扩展LED灯具的变焦范围（8°--90°）；4、此技术开源性强，延展性强，方便最新照明应用和技术的拓展、兼容、更新与升级：如模块化灯组件；技术应用和覆盖面广：与现有各种灯具兼容（筒灯、天花灯、格栅灯、导轨灯、壁灯、台灯、落地灯、吊灯、户外洗墙景观灯等等）；5、与智能控制技术结合：wifi、蓝牙、无线电、远程遥控、物联网等技术融合与拓展。
研发方法论:1、市场调研：前期照明工程的设计方案进行可行性分析；2、总结和分析近8年来市场上的灯具结构和设计；3、实验室测试与样板的制作：二次光学研发与设计，3D打印、生产工艺评估、成本评估、光分布测试、光强度、可靠性测试、型式实验；4、空间照明设计应用：照明空间模式测试、LED变焦灯构件的产品试用。
一、LED变焦模组的具体技术与开发
1.1LED变焦灯构件（模组）的开发
现有的照明灯具都只有一个固定的照射光束角，在照明设计中必须在事前将使用何种光束角度的灯具确定下来。只要灯具安装了要改变光束角度就比较困难，唯一的方式就是更换灯具或灯泡。因此我们必须要找到不改变灯具或灯泡就能改变光束角方法。LED照明灯具的光学构造主要由LED光源与二次光学配件组成，二次光学配件主要为反光杯、光学透镜、扩散板三种基本形式。
反光杯通过反射原理将LED分散的光线集中在一定角度，反光杯通常为抛物面，LED处于抛物面焦点时得到的光最为集中，在同一焦距的抛物面反光杯通过调节LED到焦点的距离，可以使光束角发生改变，但光斑会出现外围黑圈或中心黑影两种情况（如下三个图例）。
虽然能够改变光束角大小，但无法达到理想的良好光斑效果。扩散板为一种发散性导光材料，通过漫反射和材料的折射使得原来发光集中的LED光线更加分散。改变LED与扩散板之间距离光束角无明显改变。光学透镜通过光的折射或反射原理改变了光输出的方向。常用的透镜主要种类有穿透式透镜和全放射式透镜（锥型透镜）两大类型。穿透式透镜使光线通过透镜的一个曲面（双凸有两个曲面）时反生折射而到达聚光作用。当调整透镜与LED之间的间隔时视点也会发生变化。
我们通过非球面技术设计的曲面光斑将会十分均匀。全放射式透镜在正前方用穿透式聚光，而锥形面又可以将侧光悉数搜集并反射出去，而这两种光线的堆叠（视点根本一样）就可得到最完善的光线运用与漂亮的光斑作用。
通过对二次光学配件原理上的分析，我们确定了两种透镜能够实现光束角的大小变化要求。一种是菲涅尔透镜，一种是单曲面平凸透镜。这两种透镜都具有凸透镜的光学原理及特征。凸透镜拥有放大作用和聚光。理论上当平行光线平行于主光轴（凸透镜两个球面的球心的连线称为此透镜的主光轴）射入凸透镜，光在透镜的两面经过折射后，集中在轴上的一点，此点叫做凸透镜的焦点（图8）；
当一个在主光轴焦点上的点光源它的发散光射入凸透镜，光在透镜的两面经过折射后，形成平行于主光轴的光线（图9）。实验中我们采用发光直径较小的LED作为点光源，透镜采用直径为29mm焦距为16mm菲涅尔透镜和直径为29mm焦距为16mm单曲面平凸透镜进行实验对比，均以平面一端作为光线入射端，LED点光源在主光轴上移动。菲涅尔透镜当光源与透镜之间24mm（约为1.5倍焦距）移动时，光斑成像为LED芯片投影像不利于照明（图10）:
当光源与透镜之间10mm（约为0.6倍焦距）之间移动时，光斑由相对较为集中逐渐扩大，这样可达到不同光束角，此光斑有利于照明。以同样方式测试单曲面平凸透镜，当光源与透镜之间24mm（约为1.5倍焦距）移动时，光斑成像为LED芯片投影像不利于照明（图10）；当光源与透镜之间10mm（约为0.6倍焦距）之间移动时，光斑由相对较为集中逐渐扩大（图11），同样可达到不同光束角，光斑有利于照明，实验结论表明采用
具有凸透镜的光学特征的透镜可以此作为LED变焦技术的设计原理开发LED变焦灯具,如图12。
1.2变焦构件（模组）的设计
此LED变焦构件的设计思路和逻辑是替换传统照明灯具、替代现有单一照射角度的LED灯具、实现模块化变焦组件与应用,因此，重点从结构、设计和生产工艺三大方面去研究和设计。作为一个模组件，添加到现有各种类灯具实现变焦功能。
传统照明中，商业或家居照明最为常用的两款灯具分别为以GU10或MR16卤素灯泡作为光源的双圆天花灯，以及以AR111豆胆灯作为光源的格栅灯。从进入LED照明时代初期到现在，依然有不少以这两款灯具作为设计原型的LED照明灯具。因为这种灯具非常适合传统照明升级LED照明这种改造工程，原天花结构不需要改变，改造成本相对较低。但这两款照明产品无论是传统照明卤素灯还是LED照明灯具都只有固定不变的光束角，无法实现变焦功能，变焦灯具的切入必须从这两款灯开始。
以LED变焦天花灯的设计为例，我们以双园天花灯作为参考。双园天花灯结构中具有一个外环和一个可以转动的内环。外环外直径通常为85-90mm，中间内圆直径为58mm。内环外直径为53mm，灯具可以转动内环调节照射方向。通常采用一个标准内环的情况下可以配对多种形状、颜色的外环，做不同款式的灯具。这也是最原始的一种模块化结构。天花安装孔直径最好为68mm（这个尺寸为出口欧洲灯具最常用的一个标准）。传统照明灯具一般采用50W功率的卤素灯，约为500lm光通量。一般这个尺寸的LED灯具功率在3-5W。亮度大概在180-400lm。为了区别与一般LED灯具之间的凸出优势，我们将LED变焦天花灯的功率设定为5-8W，光通量为400-650lm。这个功率参数有利于灯具安装在3米以上高度采用窄光束角时具有足够的光通量。我们也采用模块方式进行设计，把内环部分作为LED变焦灯核心部件，在内环不变情况下可以与现有的多种外环部件进行配对，整合出多款不同变焦灯具产品。
1.2.1结构的设计。LED变焦灯实现光束角调节结构上有两种方案；方案1是透镜固定，光源移动改变透镜与光源之间距离；方案2是光源固定，透镜移动改变透镜与光源之间距离。LED灯具都具有较为庞大的散热结构，散热器与LED光源紧密连接。如采用方案1LED光源移动必须带动庞大的散热体，散热部分需考虑多种因素，结构比较复杂，方案1否决。如采用方案2，透镜移动，则散热部分结构比较简单，透镜部分可做成一套自由调节透镜轴向的模块组件，根据不同功率匹配不同散热器。按方案2进行设计（如图12）。
考虑到LED必须得到充分散热的因素，采用了光源固定透镜移动的设计方案基础进行设计。LED变焦灯具有较大自由度的光束角调节功能，而且必须达到轻易的调节效果，基于这一设计理念，我们采用了独有的旋转无级调焦的结构，使产品更具人性化，灯具光束角控制在常用的8-90度之间。同时，为实现透镜轴向移动，结构上我们参考了照相镜头的旋转调焦结构。设计出我们独有的旋转无级调焦的结构。我们运用带有旋升斜槽转动机构，透镜部分的凸点可在斜槽内滑动，通过转动旋升斜槽转动环实现透镜部分上下滑动，实现无极调节。
1.2.2光学的设计。透镜设计。为了让LED变焦构件能达到8°---90°的光束角度，利用TracePro软件模拟光输出效果。首先选定LED芯片，功率为6.5W，面发光的COB（集成发光二极管芯片）LED，发光面是Φ10。把LED做成3D文件导入TracePro软件，并制作一个常规的平凸透镜3D模型，尺寸是Φ29*9。如下图：通过对平凸透镜3D模型的曲面和大小的多次调整，得到焦距范围10-50mm的多种焦距，经筛选后，得出15mm焦距，尺寸是Φ29*9的平凸透镜是最符合要求的，完美实现8°至90°之间的光束角度调节功能并且光斑效果好（如图17）。由上面的光照度分析图可以看到,出光的总光通量是554.74lm,功率是6.5W,那么光效就是85lm/W,而且光斑均匀,已经达到我们的设计要求。
1.2.3散热部分的设计。由于重点针对室内的照明应用，此构件的散热合适的LED照明灯具的功率为8W到30W这个范围。具体的设计，我们以8W的双圆天花灯为例。以流体温度是0度的环境下，建立流体热分析模型，简化8W的双圆天花灯的结构，做等效3D模型。设定各参数以后，进入模拟运算。得到以下的分析图。（温升分布图和热流分布图）
由上图可见，假设环境温度是30度的时候，最高的温度是63.12度，符合在标准环境问题的情况下不能超过65度的设计要求。此LED变焦的模组散热器和灯体是一体的,LED直接安装在这个一体化的散热器里,使得LED散热的效率更高,更安全,结构更简单紧凑。
1.2.4工业设计。利用人体构造力学原理，根据成年人手指食指，接触面的弧度，来设计旋转环。在固定安装后，用户更轻易和精准地调节到所需的光束角和照射角度。
1.3制作生产的工艺
1.3.1材料的选用。透镜的选用。为了达到高光品质，高光光效，我们采用了光学级PPMA平凸透镜，透光率达95%，如下图21。
选用平凸透镜,如上图,外缘直径29mm,边缘厚1.3mm,总厚度是9mm,焦距F是15mm.实测的光效达到70-85lm/W，光斑均匀，见图22。
1.3.2生产工艺方面
变焦构件部分。产品采用塑料挤出成型，配件之间的安装采用扣位配合组装方式，简化安装提高生产效率降低生产成本。整组模组适用于多款多种灯具，扩大模组的应用范围减少前期投入成本降低生产时的物管与物控成本。塑料采用阻燃工业ABS或阻燃PC,韧性好、强度高、耐候、耐温佳。
散热部分。铝或铝合金制作成型工艺、压铸、挤压、锻压。表面处理采用电泳与阳极处理的方式。
铝或铝合金挤出成型、压铸、锻压三种生产工艺，产品结构稳定，易成型、易加工、表面积与重量的比值高、散热效果好、可设计成有利于空气对流的构造在同等表面与同等重量的条件下加快散热。LED每瓦散热面积控制在30-35平方厘米的结温在90度以下。制造成本低，适合大批量进行生产。
1.4变焦构件（模组）的现有技术状况
通过变焦结构从而达到光斑可调的技术最早应用在舞台、户外等其他专业的小众领域，如通过负责的电子部件结构的变动技术，移动透镜来改变焦距等技术来达到变焦的目的。但由于技术应用难度大，如电子元件的复杂，传统的光源体积大、高温等弊端，导致整体的产品故障多，生产成本高昂，整体的技术不稳定。但目前的LED变焦灯构件，通过创新射出的无级变焦结构，并应用LED最新光源，稳定的散热系统，其技术也基本稳定并能适用大批量生产和市场应用。
1.4.1目前已开发的模组。目前我们开发了3大系列的变焦构件模组，包括：小款直径53、中款直径74、大款直径96，应用的LED瓦数为8W至30W之间。根据现在LED的技术发展状况，未来LED可承受的结温不断提高此模组可拓展到60瓦或以上的功率。目前我们开发的模组可适配现有的传统LED照明产品，如天花灯、射灯、格栅灯、筒灯、导轨灯、台灯等。
1.4.2技术性能稳定。LED照明的稳定性取决于良好的散热系统，此模组技术的散热系统可确保LED芯片的结温稳定在90°摄氏度以下。具体抽样做测试，附加表格可看出，几个样板的结温分别都低于90℃（如表1：实物实验数据）
表1 LED变焦灯构件样板温度测试数据
样板环境温度散热器温度LED结温
样板125℃64℃76
样板230℃71℃83
样板335℃75℃87℃
1.4.3输出的光斑形状效果。为了达到出色的光斑效果，我们参考了“埃克苏”精心设计的Triod光学系统，通过有着精密光学设计的扩散镜对DAO透镜输出的准直光进行第三次配光，精确地控制光线的分布，减少了溢出光的数量，使照度均匀的同时确保光型边缘退晕更加完美。通过实测和调校，在同一高度和同功率的照射条件下，我们控制照度能够均匀、与同类不可变焦的LED传统照明灯具对比，也能达到更优质的光效。如下附图展示了8°，45°，90°的光斑效果。
二、市场应用和前景
2.1LED室内照明规模大
LED室内照明可分为商业照明和家用照明两大类，商业照明主要应用于商用写字楼、酒店、医院、学校等，家用照明主要指家庭照明。我国是全球第一大传统照明光源和灯具的生产国和出口国，并且拥有巨大的电光源消费市场。目前，中国LED室内照明仅在一些示范性的照明项目中应用，市场尚未大规模启动。中国LED室内照明替代市场拥有上千亿的市场空间，因此市场增速非常快。2010年，中国LED室内照明市场销售额达1.1亿元，同比增长57.1%。预计2015年，中国LED室内照明市场规模可达30亿元。因此，LED变焦灯构件的应用有巨大的市场，市场的应用份额大。
2.2LED变焦灯构件的技术和产品空缺
目前大部分的LED室内照明灯具只有单一的照明功能，一旦安装后不能根据日后的使用而调节，不利于光的有效利用；而变焦的照明技术和产品一般只应用在非常专业的舞台和户外的照明产品中，因此在室内LED照明应用中非常缺乏。目前我们研发的LED变焦灯模组可与目前传统的室内LED照明灯具结合，如天花射灯、筒灯、导轨灯、格栅灯等。此LED变焦模组能实现多角度光束角的调节，并能确保优质的光效效果，对现有的室内LED照明灯具技术是一种创新的突破。
2.3LED变焦技术的工程应用
由于实现了LED照明的光速角可调，具备此功能的LED灯具能够广泛应用到多种室内工程，如博物馆的展示区域、酒店客房、专卖店、汽车4S店、橱窗的展示区、家庭以及一些创意的室内设计工程等等。除了让照明达到更有效的应用，展示的区域更加有立体感，在整体照明环境中，通过LED变焦模组的应用，也能帮助设计师从光源的布局、形态及颜色等方面入手,有效地表达设计思想，不仅应满足最基本的功能要求，也应满足照度值、照度均匀度的要求，还能产生有层次感和变化的灯光，能给整体环境带来优质的光艺术效果，提升了工程和应用的品位和吸引用户。
三、LED变焦模组的未来发展方向与新技术应用
“情调照明”设计理论结合
灯光照明除了单一的照亮作用，还能对人体的心理和心情产生重要的影响和作用。如一定波长的蓝光，能防止人的抑郁症、让心情恢复平静；经治疗癌症、调节人体睡眠质量等等。如经过复旦大学光源与照明工程系研发了灯光与人体的非视觉生物效应；再如德国大学（Südwestfalen University of Applied Sciences）研究得出在RGBW（红绿蓝白）的彩色光环境下，人会比在传统照明下可调节人体荷尔蒙系统，人感到更舒适，对身体健康更有积极的影响。因此，此模组结合了LED照明具备可调节、可远程控制、色温调节灯优点后，可与无线控制技术（wifi，蓝牙），控制系统以及照明设计理论等结合，能产生灯光与人体相互影响的“新照明模式”。如“情调照明（SENTINAIRE）”是凯西欧发明并首创的一种填补世界照明空白的。这种新照明模式彻底颠覆了自爱迪生发明白炽灯以来灯具单一的照明功能。“情调照明”是把灯光、色彩高度结合起来，并融合心理学、病理学、健康学、艺术学等知识，让灯光像“五星级仆人”一样为人服务。人性化的照明方式与技术，为LED电光源应用闯出了一条新的路子，突破了LED灯具节能价贵，令人敬而远之的观念，在应用高档家居装修和商业场所具有广阔前景。LED变焦灯构件应用于“情调照明”具有本身不可替代的优势，更能指引未来LED照明应用的发展。
结论
LED变焦灯构件（模组)运用了无级变焦的设计，结合有效的光学透镜设计，并与当前最新的LED光源结合应用，实现了光束角从8°到90°可调，同时实现与现有的传统LED照明灯具兼容使用的功能。从整体应用上，突破了只能应用在舞台和户外的专业应用的限制,极大提升光的有效应用，减低了生产和使用成本，便于量产化与市场化，把原有的专业照明拓展到室内的商业照明和家用照明的应用。随着LED芯片技术和光效的快速发展，高效的散热系统以及智能控制技术的发展和普及，此LED变焦灯构件的性能和应用领域将被市场广泛应用，彻底改变目前传统的单一照明应用，达到个性化、智能化、健康化的照明效果。