基于LED燈具的光擴(kuò)散劑的設(shè)計(jì)選用

薛元芳，鄭兆勇，何祖平

（賽爾富電子有限公司，浙江 寧波 315103）

0 引 言

隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)美好生活要求不斷提高。LED燈在照明領(lǐng)域革命性的引入，將是未來(lái)長(zhǎng)期的一種照明需求，且在節(jié)能方面要求越來(lái)越高。全球行業(yè)內(nèi)知名的DLC和Energy star協(xié)會(huì)每年都會(huì)升級(jí)光效準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，從而推動(dòng)LED技術(shù)的發(fā)展和節(jié)能要求[1]。比如，DLC將在2020年將能效標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)到5.0階段，將會(huì)對(duì)全球燈具產(chǎn)品的光效要求提升到一個(gè)新高度，此時(shí)對(duì)光擴(kuò)散劑產(chǎn)品的應(yīng)用要求也將大大提高。

光擴(kuò)散劑是經(jīng)過(guò)特殊加工和表面處理的有機(jī)類型和無(wú)機(jī)類型的化學(xué)產(chǎn)品，粒徑一般在1～10 μm，是平均粒徑為1～4 μm的類似球型的化學(xué)產(chǎn)品，見(jiàn)圖1[2]。

圖1 有機(jī)光擴(kuò)散劑在電子顯微鏡下成像

光擴(kuò)散劑主要有無(wú)機(jī)型擴(kuò)散劑和有機(jī)型擴(kuò)散劑兩種，本文將重點(diǎn)簡(jiǎn)述有機(jī)型光擴(kuò)散劑的應(yīng)用。有機(jī)型光擴(kuò)散劑主要包括亞克力型、苯乙烯型和丙烯酸樹(shù)脂型等[3]。這些樹(shù)脂本身透明或半透明，光線大部分可以通過(guò)。利用這些光擴(kuò)散劑的折射率與基材的折射率差異，光線多次折射后，通過(guò)基材的光線變得光亮柔和，且對(duì)材質(zhì)的透光率影響較小。文中重點(diǎn)模擬測(cè)試分析擠出燈罩和擠出透鏡應(yīng)用類型。

1 燈罩試驗(yàn)方法和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)方法

以日本信越產(chǎn)KMP590擴(kuò)散劑為例，用一款低壓燈具，采用相同的技術(shù)參數(shù)和電參數(shù)，燈罩取不同配比的光擴(kuò)散劑進(jìn)行測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)方案

一款低壓燈具產(chǎn)品，燈罩最大直徑20 mm，厚度1 mm，結(jié)構(gòu)形式及見(jiàn)圖2、圖3。擴(kuò)散劑的添加量為每千克基礎(chǔ)料（PC1250Z）中添加的擴(kuò)散劑克數(shù)，添加規(guī)格為0.3的整數(shù)倍，如0.3 g、0.6 g、0.9 g、1.2 g和1.5 g。利用遠(yuǎn)方牌GO-2000A分布光度計(jì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。

圖2 LED燈具物理模型

圖3 燈罩尺寸

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知：對(duì)于燈罩類產(chǎn)品，擴(kuò)散劑比例從0～1.5 g變化時(shí)，透光率基本無(wú)變化。

2 光學(xué)透鏡試驗(yàn)方法和試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)方法

兩款低壓燈具，采用相同的技術(shù)參數(shù)和電參數(shù)，分別采用兩種不同厚度的光學(xué)透鏡，在相同配比的光擴(kuò)散劑下進(jìn)行測(cè)試，得出不同透鏡、相同配比下的光學(xué)透鏡的光損和角度變化。

2.2 試驗(yàn)方案

以日本信越產(chǎn)KMP590擴(kuò)散劑為例。透鏡1最厚處為5.6 mm，透鏡2最厚處為2.8 mm，結(jié)構(gòu)形式分別見(jiàn)圖4、圖5、圖6和圖7。擴(kuò)散劑添加量應(yīng)為基礎(chǔ)（PC1250Z）中添加的擴(kuò)散劑克重，添加規(guī)格為0.3的整數(shù)倍，如0.3 g、0.6 g、0.9 g、1.2 g和1.5 g。利用遠(yuǎn)方牌GO-2000A分布光度計(jì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。

圖4 透鏡1物理模型

圖5 透鏡2物理模型

圖6 透鏡1尺寸

圖7 透鏡2尺寸

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

由表2可得出：

（1）透鏡1擴(kuò)散劑比例從0（透明）逐漸增大到1.5 g時(shí)，光的損耗逐漸提升，光效逐漸降低，發(fā)光角度逐漸增大。添加最低與最高時(shí)，透光率相差6.5%，發(fā)光角度增大3.5倍。結(jié)合色差問(wèn)題，建議擴(kuò)散劑配比選用為0.3～0.6 g。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

（2）透鏡2擴(kuò)散劑比例從0逐漸增大到1.5 g時(shí)，光的損耗逐漸提升，光效逐漸降低，發(fā)光角度逐漸增大。添加比例最低與最高時(shí)，透光率相差3.5%，發(fā)光角度增大1倍。結(jié)合色差問(wèn)題，建議擴(kuò)散劑配比選用為0.6～ 0.9 g。

3 光原理模型

圖8為入射光線穿過(guò)抗刮傷層和擴(kuò)散層時(shí)遇到擴(kuò)散粒子發(fā)生散射現(xiàn)象。假設(shè)被入射光線穿過(guò)物體為添加了光擴(kuò)散劑的透鏡材料，穿過(guò)透鏡的定向擴(kuò)散一束光的光束角度將會(huì)隨著光擴(kuò)散劑的添加配比而變化。配比越高，發(fā)生散射的光線越多，角度越大。光透射原理[4]，如圖9所示。

圖8 光散射原理圖

4 結(jié) 論

文中采用模擬實(shí)測(cè)方法對(duì)LED燈具燈罩和透鏡添加光擴(kuò)散劑進(jìn)行實(shí)際測(cè)試對(duì)比分析，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，可以得出：

圖9 光透射原理圖

（1）光擴(kuò)散劑對(duì)厚度均勻燈罩類產(chǎn)品的光效影響不大，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際需求選用擴(kuò)散劑添加配比；

（2）對(duì)透鏡類產(chǎn)品的影響，隨著擴(kuò)散劑配比的增加，透鏡的厚薄對(duì)發(fā)光角度的影響巨大，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮透鏡的厚度對(duì)發(fā)光角度的影響。

本文采用模擬實(shí)測(cè)方法對(duì)燈罩、透鏡與透鏡之間的對(duì)比，為L(zhǎng)ED燈具的二次配光設(shè)計(jì)提供了一定參考依據(jù)，可縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)度，節(jié)省試錯(cuò)成本，為同類LED燈具設(shè)計(jì)提供了一種有效的設(shè)計(jì)參考。