高效能LED平板照明灯设计及其应用[1]

　　1 引言

　　LED行业作为新兴战略性产业，得到国家和地方政府的大力支持。据最新统计，我国照明耗能已占全国总发电量的10%以上，照明节能在我国占有重要位置，实施绿色照明已成为我国十大重点节能工程之一，而我国目前的照明依旧以低效照明为主，节能潜力巨大[1]。

　　LED平板灯是在背光技术上过渡来的新一代照明产品，早期的产品由于光照度不高，只能作为室内辅助光源、画灯、装饰灯的作用。但随着LED的发光效率的提高、对LED平板灯结构的不断完善和网点设计印刷技术的提高，LED平板灯越来越受到消费者的青睐[2]，它具有节能、亮度高、无红外线、无紫外线、无辐射、无光闪现象、发光角度宽等优点，可以试用于酒店、会议室、工厂或办公室、商业用途、住宅或者公共设施、学校、医院需要节能及高显色性指数照明的地方。

　　本文主要介绍一种高效LED平板灯的设计。第一部分分析传统LED照明灯具的设计理念、方法;第二部分针对现有技术存在的各种缺陷及设计的关键技术进行光学建模，并加以分析研究;第三部分，提出了一种高效LED平板照明灯的具体结构设计及实现方法;最后总结与展望，指出该款灯具仍具有的改进空间及广阔的市场前景。

　　2 背景

　　LED目前已经被大量应用于景观照明、户外照明、装饰照明，而LED通用照明的市场仍处于发展的初级阶段[2]，在此期间也出现了众多设计方案及产品。

　　LED平板照明灯，现有技术主要有直下式和侧光式两种发光模式[3]。

　　直下式LED灯如图1所示，工艺简单，不需要导光板，LED阵列置于灯具底部，从LED发出的光经过底面和侧面反射，再通过表面的扩散板和光学模组均匀射出。直下式LED光源的厚度由灯具底部和散射板的距离决定，通常厚度越厚，LED光源的光均匀性就越好，因此产品较为笨重，且能耗高，价格较贵，厚度小时，光均匀性变差，容易产生眩晕。

　　图1 直下式示意图

　　侧光式LED灯如图2所示，将点状光源设置在经过特殊设计的导光板侧边作为LED光源，使用LED光源颗数较少，而因LED光源置于导光板侧边，LED受颗数及亮度限制，仍需将光均匀分散至整个平面上时，会形成当面板面积越大，光源辉度运用越有限，因LED光源放在产品的侧面，因此后面只需要添加导光板就可以将灯具的外观厚度做到很薄，且能耗低，价格便宜。

　　图2 侧光式示意图

　　LED照明灯侧光源照明方式虽然可以降低功耗，实现面光源照明方式，但仍有众多缺陷，存在较大改进空间。

　　首先，光线的均匀性较难控制。侧光式LED光源照明灯的均匀性主要取决于导光板上的网点设计，导光板尺寸越大，均匀性越难实现，且光利用率越低.在保证充分利用光利用率时，实现大尺寸均匀出光是LED背光式照明灯的主要难点;其次，由于LED光源置于导光板侧边，传统设计的入光面会由于表面反射及散射造成光源的损耗，降低光的利用率;再者，灯具的长期使用容易导致LED灯带发热甚至损坏，个别灯具的工作异常会使照明效果大打折扣，加之传统的灯带焊接工艺要求高，用户更换较难，灯具使用寿命缩短，灯具的成本高。最后，由于LED灯的颗数及亮度限制，难以实现较大尺寸平板灯具的设计。

　　3 仿真分析

　　要提高导光板的光学利用率，提高均匀性，关键的技术就在于导光板的网点设计[3][4][5]。如图3所示，当光线从侧面耦合进入导光板内后，由于全反射原理，光线将在导光板内向前传播而不能够从导光板的上表面出射。在导光板的底部制作扩散网点，扩散网点利用光的散射原理，当光线入射到扩散点时，会将一条光线散射成多条光线，如图4所示，这些散射的光线一部分会射出导光板，由于全反射原理，另一部分会继续反射，直至遇到下一个扩散网点，重复散射过程[6][7]。由于靠近光源附近光强度较强，所以在靠近光源处导光板底面扩散网点的密度及扩散点的尺寸较小，而远离光源处导光板底面网点密度及扩散点的尺寸较大，通过这种分布实现导光板出射光的均匀性，如图5所示。

　　在设计产品之前，首先利用光学软件Light tools进行光学模型的建立及优化[8]，建一个固定的导光板模型，如图6所示，导光板模型包括，LED光源、导光板、框架、底板、扩散片、接收器。设定导光板尺寸为600mm×600mm×6mm，属于一款中大尺寸规格，导光板入射为双面侧入射，分别安放两组LED在导光板的两侧，采用贴片式LED模组。

　　网点可以设置为2维和3维的，调节网点的形状，大小，填充密度，排布，间距等可以控制光照的强度及均匀度。本文设计的2D网点，设置面属性为朗伯型散射，利用软件的网点优化功能可以快速的将网点优化至较为理想的状态。

　　网点面网格划分一般和接收面网格一致，网格划分影响计算精准度。合理的划分网格和网格内点数目实际上就是控制网点的填充密度。控制网点的间距，网点最小值，随机扰动因子等条件。基于蒙特卡洛光线追迹原理的网点优化结果对产品最终设计光照效果具有很好的参考价值，再根据产品需求进行局部调整。

　　如图7.a所示为光线数目2000万，优化20次以后结果，均匀度达到93.88%，图7.b所示为追加4次以后的结果，均匀度达到94%。当优化次数越多，优化光线越多，计算得到的结果会更佳。

　　当总入射光通量4000lm时，在1.8m处中间600mm*600mm范围内的平均照度在200lux以上，均匀度可达90%，如图8.a和8.b所示，满足中高档照明需求。

　　在设计里，对LED的选型也很重要。因为LED外形结构决定着LED诸如发光强度、半强度角等光学参数，光场分布类型决定光源的色彩和亮度均匀。在配置好LED光源和导光板时，能做出高均匀度，高效的LED平板灯。