大功率LED照明光学设计及在地铁照明的应用[1]

　　引言

　　LED光效高、寿命长、工作温度低、无毒、无电磁污染，被公认为第4代照明光源。随着LED灯具全寿命周期综合成本的下降，LED灯具正逐步取代传统光源成为主流照明光源。大功率LED发光面积小，光通量大，光能较集中，但直接用于室内照明眩光较严重。小功率LED虽可较好地解决眩光问题，但要满足较高的照度要求，往往要用大量LED，从而牺牲了光效，且由于散热等问题，普遍存在光衰较快的缺点。目前国内最高的大功率LED光效是由晶元光电发布的170lm/W，常用的大功率LED光效在120~150lm/W。对于大功率LED，使用合理的光学设计和灯具表面扩散材料，能在保持出光效率的同时有效减少眩光，提高照度均匀性。

　　侧光式面板灯要达到与直下式面板灯相应的出光效率，需要增加LED灯珠数量从而增加成本。本文采用直下式LED面板灯，虽需要比侧光式更厚的厚度来解决均匀性问题，但它在出光效率上明显优于侧光式面板灯。本文通过LED阵列的最优排列方式和排列间距，结合地铁照明灯具设计要求，设计1种可用于地铁室内照明的LED面板灯。通过模拟分析得到其最优的结构设计和LED阵列设计，照度均匀性达到99.8%，并最终应用于地铁照明当中。相较于地铁普通照明用的格栅灯，理论上可为广州地铁官洲站节电40%以上。

　　1 大功率LED照明光学设计原理

　　照明均匀性要求取决于不同的应用环境。而照度均匀性由灯珠与目标面的距离、灯珠发光角度、背景光源亮度、目标面的反射率、目标面的颜色等参数共同决定。应用于面板灯当中，本文只考虑LED的光强分布和目标面与LED光源阵列的距离。

　　一般认为单个LED光源为朗伯源，其发光服从余弦分布，这种近似对于裸晶和封装透镜为半球形的LED是非常有效的。当目标面与光源的距离大于(ALED是LED发光面积)时，LED可以看作点光源。大功率LED发光面积小于 4mm²，而LED与直下式灯具目标面距离远大于2cm，所以它可以近似为点光源，照度的变化与距离的平方成反比。在模型建立中，假设阵列中每个LED都有相同的光波长、光通量和光强分布。

　　对于M行N列的三角阵列(N为最长的1行中的LED数量)，总的LED个数为[4]

　　由(3)式得到最大平坦条件d(D=d/z)，d是关于m，N，M的函数。当N和M都是偶数时，D=d/z的值由函数f的零交叉点得到。当N和M都是奇数时，最大的平坦条件由函数f的最小值给定。对于其他情况，最大的平坦条件由函数f的零交叉或者其最小值给出[4]。

　　如果在灯珠的排列当中能够满足上述的最大平坦条件，理论上就能在目标面形成无眩光、照度分布均匀的光斑。

　　2 设计模型及其仿真

　　本方案采用大功率1W LED光源直下式灯具结构，通过LED光源交叉排布的形式达到面板灯表面亮度均匀的效果，使用进口材料扩散板，全光透过率在90%以上，在灯具内侧镀银反射膜，提高光效。

　　2.1 灯具结构设计

　　灯盘尺寸为1 000mm×300mm×80mm。LED灯珠排布在5条铝条上，初步设定灯条上灯珠间隔100mm，每个灯条安装9颗LED灯珠，灯条之间间隔60mm。灯条底部粘贴导热硅胶，用于辅助LED灯珠散热。灯具侧面及底面镀银高反射系数反射膜，反射率达98%，提高光能利用率。

　　2.2 灯盘的配光设计及仿真

　　我们在结构设计软件中建立灯具外壳结构，导入专业光学仿真软件中，使用图1所示结构，建立LED点阵的模型。假设单颗LED的发光效率为120lm/W，为了达到混光均匀的效果，使用三角点阵的排布方式，当z=80mm，M=5，N=9，由公式(3)满足最大平坦条件可得d0=50mm，因此d=100mm无法满足最大平坦条件。这是实际设计中经常遇到的问题，实际模型往往无法满足理想条件。但是，三角点阵的排布方法具有良好的混光能力，通过给内壁贴反射膜以及出光面加扩散板的方法，可以达到均匀混光的效果。

　　图1 铝条结构示意图