LED灯具的光学系统通常由主光学器件和次光学器件组成。这个概念总是导致光质量、系统尺寸、效率和光分布之间的需要互相迁就。将使二次光学成为过去时的新概念已经被研究。Plessey半导体公司模块化产品主管Paul Drosihn和光学与照明设计专家Samir Mezouari介绍了第一款同类芯片级波束成形技术StellarTM。他们解释了它的工作原理，以及它如何帮助克服传统的LED照明解决方案的局限性。

LED照明产业的标准化发挥了强大的力量。

由于诸如Zhaga等工业机构的努力，基于LED的灯具越来越多地采用通用外形，并形成光学和电气标准。

在诸如筒灯、轨道灯和聚光灯等流行产品类别中，符合标准的灯具可能在显示表面和外观有差异，但大多数都使用相同的零部件。

基本标准组件：

板上芯片(Chip-On-Board，COB)LED封装，提供小型，强烈的光源

安装在COB LED顶部的透镜，以调整其光束

反射器

一个大的散热器

整合许多大型部件，例如基于COB的LED光引擎将不可避免地是一个庞大且沉重的单元。

灯具制造商必须在最终产品的内部容纳这种大型组件，这将导致他们只有很小的范围来添加自己独特的设计元素或实现任何有价值的差异化设计。然而，基于COB 的LED光引擎模块已经成为标准。

但实际上这个是照明设计师，建筑师和用户想要的么?

为了回答这个问题，需要回归最基本原则：建筑师和照明设计师实际上不想被指定及购买灯具。他们想要的是能够配合时间、地点的恰如其分的高品质的灯。如果他们能够奇迹般地在没有灯具的情况下照亮一个空间，他们会放弃灯具。如果能够更不显眼地达到期望的照度，照明设计者可能不会选择在天花板空隙中，或在天花板安装的轨道上安装大型且笨重的灯具单元，以便在墙壁或地板上投射光，事实上，今天的标准外形尺寸只是一系列技术选择的结果——而照明设计师和建筑师更倾向于选择自己喜欢的外形独特的灯具。

最新的LED和光学技术目前可用于生产光引擎，大大减少尺寸，同时具备卓越的光度和散热性能。

波束成型的新方法

虽然COB LED已经成为一种流行的光源，但是它使用在需要精确的波束成型的灯具中是有问题的。

由于板载LED晶粒的构造以及荧光粉沉积在晶粒上的方式，导致筒灯或聚光灯中的COB LED需要非常大的光学组件来实现定向光输出和控制的光束角。

然而，这并不是光学器件的唯一的缺点，光学组件的性能还受到大且不均匀的发光表面的影响。如果不使用复杂的光学设计，将会导致在光束边缘处的光的色温与在光束中心的光相比，差异明显。为了减轻制造COB光引擎生产商的生产困难，采用了用于生长COB LED 镓氮化物 (GaN) 晶粒的蓝宝石衬底是非常差的热导体。还有，发热晶粒集中在小区域中，会产生强烈的热点，以及热量在发光表面上的不均匀扩散。这些都导致灯具在不同角度上的颜色变化，以及在产品的寿命期间，形成与LED光输出不一致的退化率。它还需要使用非常大的散热器，以补偿蓝宝石衬底的高热阻，并确保LED晶粒不超过其最大额定温度。

因此，在常规筒灯和聚光灯设计中，选择COB LED作为光源，将使得它们体积大、重且不灵活，并且可能产生显著的颜色不一致。

但是这种基于COB的LED架构不是用聚焦光束制造光引擎的唯一方法。事实上，在大的发光表面上分布多个LED光源的架构存在固有的优点：由LED管芯产生的热量是分散的，因此每个热点处的热强度不太强烈。

这意味着每个LED的温度可以以低得多的散热速率安全地保持在其指定值以下。

当采用额外的热管理技术来在模块级实现非常低的热阻时，将能够使用更小的散热器来而减小光引擎的尺寸。

这种困难的分布式架构在过去已经成为主流光学：一个传统的LED紧紧围绕着典型的朗伯反射进行光输出，需要每个光源都由一个大型的LED光学组件组成。

在用于诸如聚光灯等灯具的光引擎中，将使用直径大约为100mm的多个LED光源，这显然是困难的。

这个问题的解决方案结合了创新设计、用于制造微型光学器件的先进加工能力，并将其与专门定制的LED光源耦合。

通过使用在大区域(cm)上的反射器阵列或准直器，具有亚毫米尺寸的精确公差的微型光学器件如今将可能以很低的成本被制造，然而，这需要与合适的光源耦合。

如上所述，常规的LED COB通常由蓝宝石LED上的GaN制造。 然而，如果这种LED以分布式方式使用并且与准直阵列耦合，则它们将由于几个原因被证明是无效的。

通常，这种LED组装在塑料封装中，这增加了有效的光源面积，并且使得光学器件具有更大的几何尺寸，同时增加了基于蓝宝石LED的较差的热性能。

此外，光发射模式不利于使用这种光学方法的有效解决方案，本质上通常是朗伯性的。

基于GaN on Silicon技术的LED为所描述的分布式结构所需的规模，光图案和热性能提供了成本有效的解决方案。

这种LED是可制造的，使得来自LED的光发射仅来自结构的顶表面，并且然后可以通过光转换来修改，以产生定制的光发射图案，以允许利用小型化的光学设计的光束准直。

LED具有稳定且更好的热性能，并且可以被设计用于不需要封装的COB解决方案，从而将光源的规模减小到最小。

两种创新技术，即微尺度波束成形光学和硅基氮化镓LED晶圆制造，似乎为灯具制造商提供了从根本上重新思考其产品设计的范围。

这种新的自由设计在普通灯具类型(如筒灯和聚光灯)领域如何展现?

图1：Orion模块中的光学组件的尺寸显著减小

一个可能性的示例便是通过使用恒星光束成形技术的新型光引擎。

该模块产生3000多流明，厚度仅为5.6毫米，直径为82毫米。

严格控制的光束具有25°的FWHM角，并且光束的色温在从中心到边缘的整个范围内保持一致。

其外壳分为多个单元，每个单元有一个LED光源。

多个光束在距模块表面小于1m的距离处混合。

新模块和基于COB LED的典型等效光引擎的尺寸比较如图1所示。

图2显示出了灯具制造商重新想象其产品设计的范围。

Stellar技术在实现分布式LED结构的同时，能够用直接邻近发光表面的微型光学器件紧密地控制光束图案。

这又改进了灯具的热特性，能够使用小的散热器。

因此，总地来说：

更小

更不显眼

更容易适应各种终端产品不同的外壳和夹具样式，支持灯具制造商尝试实现有价值的差异化。

因为光从大的表面区域发射，所以减轻或消除了COB LED基射灯和筒灯的用户经历的眩光的问题。

灯具制造商和分销商还能够获得更多的商业利益：通过制造小得多的最终产品，它们可以显著降低运输和存储成本，因为更多的单元可以容纳在船舶，卡车或仓库中。

图2：完整的光引擎组件，包括基于Orion模块和典型COB LED光源的散热器

更智能、性能更好的照明设备的潜力

本文建议，创新的产品能够为照明设计师、建筑操作员和照明用户带来宝贵的利益，而不是标准化产品。

基于硅基LED和微尺度波束成形技术的灯具设计的创新潜力，并不会随着新的、更小的聚光灯和筒灯的推出而停止。

相对而言，一种可能性是将智能传感和控制集成到光引擎中.。

在具有分布式LED结构的光引擎中，应该可以用光传感器或其他小图像传感器来替换一个LED。

如果被放置在同一个单元中，如Orion模块中的LED，则其将与相邻的LED光学隔离，其将不能够直接感测到LED发光表面发出的光，而仅能感应到达照明表面的光。

这为灯具制造商提供了一种新的方式，用来应对行业的颜色调整功能以及人性化的照明需求。

通过在照明器中添加颜色调节和控制电路，可以响应环境光的局部变化或其他环境因素来调节光输出的色温和强度，以及调节色温昼夜规律，或与其他基于时间的模式相匹配。

在所有这些努力，目的都是为照明设计师提供他们想要的——在正确的地方的发出正确的光，而不是他们习惯得到的光——早就预先设定好参数的、具有预定配置的突兀的灯具。

可以预见的另一个发展是实现芯片上光学。

也就是说，可以在制造晶片上或在芯片的工艺期间制造透镜，从而产生具有准直光输出的LED晶粒。

这将能够节省更多的空间，甚至提供能够严格控制和聚焦光束的更小的LED照明模块。

通过在GaN LED中使用硅衬底使得这种发展成为可能。

实际上，在硅衬底上生长GaN LED的能力可能是将许多额外功能集成到芯片上的关键，也因此减小了照明器的尺寸和成本。

硅是几乎今天所有的集成电路(IC)的材料，关于这些材料的知识和制造技术很容易就能将微控制器、模拟信号链和其他电子功能集成到单片硅器件中。

因此，从长远来看，硅基LED的潜力应该是将更多的发光智能光引擎、光控制和用户控制功能集成到集成电路中。

这为空间和成本节省提供了非同一般的可能性。 通过减少灯具中组件的数量，硅技术也有望实现更高的可靠性和更低的故障率。

在这一点上，像大多数技术发展一样，它为照明行业带来极有价值的创新。

正如本文所建议的，即使在明显标准的灯具类型如筒灯和聚光灯下，仍有更多的创新空间。