側(cè)入式無導(dǎo)光板LED平板燈設(shè)計分析

邵光圣

摘 要：人們生活質(zhì)量的不斷提升給照明工作帶來了較大的發(fā)展挑戰(zhàn)，人們對照明工作提出了更高的要求。LED平板燈的使用頻率較高，因此其使用情況直接關(guān)系到人們的正常生活水平提升。通過調(diào)查不難發(fā)現(xiàn)，當前的側(cè)入式LED平板燈出光效率有待提升，導(dǎo)光板的制造成本也較高，為此工作人員結(jié)合實際需求設(shè)計了一種無導(dǎo)光板的新型LED平板燈，其相關(guān)結(jié)構(gòu)模型和光學(xué)模型都得到了較好的設(shè)計。通過相關(guān)的模擬實驗不難看出，如果LED平板燈的單窗格面積和厚度、投射角合理的情況下，LED平板燈光面板上的照度均勻度將得到很大程度的提升。

關(guān)鍵詞：LED平板燈;照度;側(cè)入式;無導(dǎo)光板;設(shè)計

1.前言

最近幾年，人們對LED照明技術(shù)提出了更高的發(fā)展需求，LED照明技術(shù)的飛速發(fā)展給人們的日常生活帶來了較大的改變，LED平板燈的出現(xiàn)和運用提升了照明技術(shù)水平。傳統(tǒng)的照明燈具與LED平板燈相比處于劣勢地位，LED平板燈的光線較為柔和且發(fā)光面積較大，關(guān)照更加均勻，節(jié)能環(huán)保效果較好等，已經(jīng)成為當前室內(nèi)照明的首選產(chǎn)品。目前，LED平板燈主要采用直下式與側(cè)入式兩種。直下式LED平板燈的光源安裝在燈箱的底面，由于必須保證一定的混光距離才能使照度均勻，限制了平板燈的厚度，使平板燈具顯得厚重;與之相比，側(cè)入式LED平板燈將光源安裝在燈箱的側(cè)面，使用導(dǎo)光板（LGP）進行混光，沒有混光距離的限制。但是LED發(fā)出的光線在LGP內(nèi)經(jīng)多次耦合才到達擴散板，光損較大;而且LGP的加入使得燈具重量較重，價格較高。為此，本文研究一種側(cè)入式無LGP的LED平板燈，運用輔助柱面透鏡方法實現(xiàn)燈具的照度均勻性，以實現(xiàn)LED平板燈造型輕薄和低成本。通過理論建模和模擬仿真，得到LED平板燈的最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，并進行了實驗驗證。

2.側(cè)入式無導(dǎo)光板LED平板燈設(shè)計的模型分析

2.1無導(dǎo)光板的LED平板燈設(shè)計結(jié)構(gòu)模型分析

為了更好地滿足人們對照明的需要，工作人員需要結(jié)合當前建筑設(shè)計觀念和人們的采光需求設(shè)計側(cè)入式無導(dǎo)光板LED平板燈結(jié)構(gòu)，把其設(shè)計成窗式結(jié)構(gòu)，采用多窗格組合以實現(xiàn)大面積照明。每一窗格的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要包括LED燈條、反射槽、柱面透鏡、出光面板及后面板。其中，LED燈珠發(fā)出的發(fā)散光束，通過柱面透鏡會聚并掠射在出光面板上。出光面板為透射型擴散板，后面板為漫反射板。由于光線沒有經(jīng)過多次反射損失，所以無LGP的LED平板燈比一般LGP式LED平板燈的出光效率高。

2.2無導(dǎo)光板的LED平板燈設(shè)計光學(xué)模型分析

通過實際調(diào)查研究不難看出，平凸柱面透鏡對照明光線聚散度的影響較大，如果是數(shù)值入射面的光線則不會出現(xiàn)會聚現(xiàn)象，而水平入射面的光線經(jīng)柱面透鏡后產(chǎn)生會聚。這樣，LED燈珠發(fā)出的發(fā)散光束通過柱面透鏡后，投射在垂直于出射光軸的平面上呈現(xiàn)為細長條光斑;而掠射在幾乎平行于出射光軸的平面上呈現(xiàn)為長方形光斑。因此，在x方向可增加相鄰LED輸出光線的交疊區(qū)，減小光束交叉陰影;在z方向可使光束集中投射在需要的區(qū)域內(nèi)。在燈具的光學(xué)設(shè)計中，LED排列方式是一個重要的設(shè)計要素。LED發(fā)出的光線都是以照度圓的疊加方式進行混光，合適的排列方式可以削減混光盲區(qū)所占的比例，有助于提高均勻度，側(cè)入式無LGP的LED平板燈的LED采用雙邊線形陣列排布。

3.側(cè)入式無導(dǎo)光板LED平板燈設(shè)計參數(shù)的進一步完善

設(shè)計工作人員需要認真落實好每一項設(shè)計任務(wù)，發(fā)光面積應(yīng)該控制在0.45m2左右，并把無導(dǎo)光板LED平板燈的窗格劃分成4個，每個窗格大小為240mm×300mm。平板燈的總厚限制在15mm以內(nèi)。其它參數(shù)為：LED燈珠中心到平板燈出光面板的距離y=8mm，LED芯片的發(fā)光面積為1mm×1mm，平凸柱面透鏡的半徑為4mm，LED之間的間距d=9mm，單顆LED燈珠的功率為0.06W，LED平板燈整燈的功率約34.6W。LED陣列之間的距離對照度均勻度的影響較大。從圖可以看出，隨著LED陣列之間的距離l增加，出光面板的照度均勻性隨之減小;當l=240mm時，均勻度為85.5%，可以滿足普通照明要求。

4.側(cè)入式無導(dǎo)光板的LED平板燈設(shè)計實驗分析

經(jīng)過上文的相關(guān)理論分析及仿真設(shè)計需求，實驗工作人員開展了以下關(guān)于無導(dǎo)光板的LED平板燈實驗。結(jié)合上文中的相關(guān)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計制作了窗格結(jié)構(gòu)LED平板燈，分為4個窗格，每個窗格大小為240mm×300mm，平板燈的總厚為15mm。其中，后面板采用高效率漫反射白色塑料板;柱面透鏡采用亞克力（PM-MA）材料，平凸結(jié)構(gòu)，曲率半徑為4mm;LED燈條的寬約8mm，燈珠之間的距離為9mm;出光面板為高效率透射型PMMA擴散板。由于LED平板燈出光面板的亮度值與平板燈內(nèi)LED投射在出光面板上的照度值成正比，為了便于與理論模擬結(jié)果對比，以下實驗測試結(jié)果以照度值代替出光面板的亮度值。

經(jīng)過相關(guān)實驗可以看出，隨著平板燈內(nèi)兩LED陣列之間距離l的增加照度分布均勻性隨之降低，與理論模擬分析結(jié)果相符，說明存在最大距離l使?jié)M足設(shè)計要求。如果投射角度為3°和4°時出光面板的照度均勻性好于2°和5°情況，說明存在最佳投射角度，與理論模擬分析結(jié)果相符。對于不同的LED陣列之間的距離l，存在不同的最佳LED投射角α，當LED陣列之間的距離l=240mm時，最佳投射角度在3°～4°之間，與理論仿真結(jié)果基本吻合。此時，出光面板的照度均勻度可達86.3%。

5.結(jié)論

本文主要研究分析了側(cè)入式無導(dǎo)光板LED平板燈的設(shè)計工作，工作人員可以借助柱面透鏡完成側(cè)面入射LED發(fā)散光束的會聚，通過掠射和疊加方法實現(xiàn)出光面板的照度均勻性，并利用九宮格取值法和TracPro軟件進行參數(shù)優(yōu)化。本文設(shè)計的LED平板燈結(jié)構(gòu)，對提高平板燈的出光效率和降低LED平板燈的生產(chǎn)成本，提供了一定的參考依據(jù)，符合平板燈輕薄化、大尺寸和高能效的發(fā)展方向。

參考文獻：

[1]王洪，葉菲菲，黃華茂，等.高照度LED芯片的反射型電流阻擋層設(shè)計與實現(xiàn)[J].光電子？激光，2012，23（6）：1077-1081.

[2]肖簫，文尚勝，陳建龍，等.直下式LED背光源模組第二擴散導(dǎo)光板光學(xué)特性分析[J].光電子？激光，2013，24（4）：679-686