介質(zhì)填充技術(shù)路燈及其應(yīng)用探討

曾 平，張玲霞，王 欽

(中節(jié)能晶和科技有限公司，江西 南昌 330096)

引言

光線通過折射率不同的界面時，將有一部分光能量被界面反射而損失，此為菲涅爾反射損失[1]。LED芯片發(fā)出的光經(jīng)過LED封裝熒光粉層，由于LED封裝熒光粉層的折射率大于空氣，LED光源發(fā)出的光從光密介質(zhì)入射至光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角大于全反射角時即發(fā)生全反射，大于等于全反射角的光線均無法出射，轉(zhuǎn)換成熱能損耗。基于上述兩方面的光損原因，在LED光源與路燈光學(xué)透鏡之間填充折射率匹配介質(zhì)，減少光線傳輸過程中的界面反射及因全反射而造成的光線損耗，最大程度地將LED芯片發(fā)出的光線取出，從而提高LED路燈的光效。LED路燈光源經(jīng)過填充介質(zhì)后，相對光學(xué)透鏡來說其光學(xué)特性會發(fā)生改變，相應(yīng)地，LED燈具的配光曲線和應(yīng)用場景亦會改變。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

2 技術(shù)簡介

對于平面出光的燈珠，如圖1所示，光線傳輸過程中同樣存在因菲涅爾反射造成的界面損耗，且由于LED芯片發(fā)出的光線中，部分光線(如光線2)由于其入射角大于臨界角而全反射被損耗；在LED光源與光學(xué)透鏡之間填充折射率匹配介質(zhì)后，如圖2所示，將原本充滿空氣的光源腔，用折射率匹配介質(zhì)填充，使出射光通量從兩方面進(jìn)行了提升：一是光線從LED光源→折射率匹配介質(zhì)→光學(xué)透鏡，減少了光線傳輸介質(zhì)中的不同折射率基差，降低了界面反射損失，使出射光通量有所提高；二是LED芯片發(fā)出的光線穿過熒光粉層時由于全反射而損耗的光線被取出，降低了LED光源的全反射損耗。填充介質(zhì)不僅減少了二次光學(xué)界面損耗，而且減少了燈珠內(nèi)部光線出射的損耗(一次光學(xué)損失)。介質(zhì)填充后，相當(dāng)于在LED平面光源的表面增加一個與光源腔尺寸相同的一次光學(xué)透鏡，如圖2陰影部分所示。當(dāng)一次光學(xué)透鏡的尺寸足夠大的情況下，LED平面光源和內(nèi)部的芯片可以近似等同于一個點(diǎn)(特別是對于LED芯片)，依據(jù)折射定律，位于幾何圓心的光線垂直射向介質(zhì)表面不會改變其傳播方向，減少了平面光源自身內(nèi)部全反射帶來的光線損失。因此，采用平面出光面燈珠的路燈應(yīng)用介質(zhì)填充技術(shù)將獲得更高的光輸出比增幅，從而獲得更高的燈具光效。

圖1 平面出光燈珠介質(zhì)填充前光線輸出示意圖Fig.1 Schematic diagram of light output about the plane light emitting LED without the medium filled

圖2 平面燈珠介質(zhì)填充后光線輸出示意圖Fig.2 Schematic diagram of light output about the plane light emitting LED with the medium filled

填充折射率匹配介質(zhì)減小了一次光學(xué)損失，使更多的LED芯片發(fā)出的光可以出射，一次光學(xué)全反射損失的光線中藍(lán)光占比較大，因此，填充介質(zhì)相當(dāng)于取出了更多的藍(lán)光，從而改變了LED光源的相對光譜分布，出現(xiàn)了色漂移的現(xiàn)象，同一LED燈具介質(zhì)填充前后的相對光譜分布對比如圖3所示。

圖3 介質(zhì)填充前后相對光譜分布圖Fig.3 Relative spectral distribution before and after medium filling

由圖3可以看出，介質(zhì)填充前后LED燈具發(fā)出的光線中，波長較短的光譜占比有所增加，因此，填充介質(zhì)后的燈具色溫會向冷色調(diào)偏移。根據(jù)晶和介質(zhì)填充路燈試產(chǎn)數(shù)據(jù)，將填充前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，當(dāng)目標(biāo)色溫為4 000 K時，需要采用3 200 K的LED燈珠，此時光輸出比約為104%～106%；當(dāng)目標(biāo)色溫為3 000 K時，則需要采用2 500 K的LED燈珠，此時光輸出比約為108%～110%。因此，目標(biāo)色溫值不同，所采用的燈珠色溫不同，介質(zhì)填充后的光輸出比的增幅亦不同。因此，燈具是否采用介質(zhì)填充技術(shù)需要考慮目標(biāo)色溫及相應(yīng)的光輸出比的增幅情況，本文拋磚引玉，只針對3 000 K與T 3 000 K(2 500 K燈珠點(diǎn)加介質(zhì)后)，4 000 K與T 4 000 K(3 200 K燈珠點(diǎn)加介質(zhì)后)燈珠應(yīng)用在路燈上的光效值進(jìn)行對比分析，如表1所示。

表1 介質(zhì)填充前后不同色溫平面出光的燈珠應(yīng)用在路燈上的燈具光效Table 1 The luminous efficiency of plane-LED lamp with different CCT before and after medium filling

從表1可以看出，目標(biāo)色溫為3 000 K時，介質(zhì)填充前后光效約增加19.31 lm/W，增加比約為12%；當(dāng)目標(biāo)色溫為4 000 K時，介質(zhì)填充前后光效約增加13.76 lm/W，增加比約為8%。

同樣的，相對于二次光學(xué)透鏡的入射面來說，填充后的入射光線不再是LED光源發(fā)出的光經(jīng)空氣直接入射了，而是經(jīng)過填充介質(zhì)形成的一次光學(xué)透鏡后入射。一次光學(xué)透鏡會改變原有LED光源發(fā)出的光線的光度分布，從而改變二次光學(xué)透鏡入射面和出射面的光線分布，如圖4所示，這些變化最終改變應(yīng)用填充介質(zhì)后LED燈具的配光曲線。

圖4 介質(zhì)填充前后LED光源的配光曲線圖Fig.4 The radial distribution curve of the LED source before and after medium filling

介質(zhì)填充技術(shù)會改變LED燈具原有的色溫和配光曲線，改變程度由二次光學(xué)透鏡的入射曲面與LED光源所形成的光源腔、LED光源本身的色溫、填充介質(zhì)折射率和制程工藝共同決定，這些因子影響的權(quán)重大小不在本文中做詳細(xì)表述，但要實(shí)現(xiàn)介質(zhì)填充前后的LED燈具均符合道路照明要求，那么在二次光學(xué)設(shè)計前必須依據(jù)應(yīng)用需求考慮這些因子，做好光學(xué)預(yù)偏置(預(yù)先計算填充后的偏置量)設(shè)計。

3 應(yīng)用對比分析

本文主要基于晶和采用平面燈珠的介質(zhì)填充LED路燈的相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行介質(zhì)填充前后的LED路燈應(yīng)用結(jié)果分析。選取一個LED路燈，分別進(jìn)行介質(zhì)填充前后的光度分布測試，對比介質(zhì)填充前后的光效及配光曲線。光度分布測試是依據(jù)燈具在全空間的光照強(qiáng)度的分布而得到該燈具的配光曲線，光照強(qiáng)度的測量方法主要有手持式照度計、積分球和分光光度計。手持式照度計主要用于日常生活中的光照強(qiáng)度的測量，方便攜帶、能耗低、測量精度有限；積分球法測量光照強(qiáng)度一般用于小尺寸的光源，具有較高的測量精度；分光光度計測量主要用于大尺寸光源，具有較高的精度，能實(shí)現(xiàn)全空間光照強(qiáng)度的測量[3]。

本文采用分光光度計測量方法進(jìn)行LED路燈介質(zhì)填充前后的測試。除介質(zhì)填充情況不同外，其他條件(包括測試條件)均一致，測試結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。

表2 介質(zhì)填充前后光學(xué)數(shù)據(jù)對比表Table 2 Comparison of optical data about the street lamp before and after medium filling

經(jīng)計算，未填充介質(zhì)的LED路燈的路邊光通量為7 155.783 lm，填充介質(zhì)的LED路燈的路邊光通量為7 840.332 lm；未填充介質(zhì)的LED路燈的屋邊光通量為4 367.217 lm，填充介質(zhì)的LED路燈的屋邊光通量為4 970.668 lm。

介質(zhì)填充前后LED路燈的子午面配光曲線如圖5所示。從介質(zhì)填充前后LED路燈光度分布的測試結(jié)果來看，介質(zhì)填充后總光通量及光效值均有所提升，且配光分布發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在：V平面角度(50%平均光束角)增大18.5°，在H面，最大光強(qiáng)值降低，能量分布發(fā)生明顯變化，因此，道路應(yīng)用發(fā)生了變化，照度和亮度的應(yīng)用效果亦會有所改變。

圖5 介質(zhì)填充前后的子午面配光曲線圖Fig.5 The radial distribution curve of the meridional plane before and after medium filling

照度和亮度是評價道路照明質(zhì)量最常用的兩個光度量，1940年之前，人們主要用照度評價道路照明質(zhì)量；1940年之后，人們已經(jīng)認(rèn)識到僅僅依靠照度無法反映實(shí)際的照明效果。照度評價體系反映的是客觀物理測量值，照度值只和燈具本身的光度特性以及該點(diǎn)相對于燈具的幾何位置有關(guān)，不能準(zhǔn)確反映人眼接收到的實(shí)際的光；而亮度評價體系反映了駕駛者接收到的光，比照度評價體系更能表達(dá)出人對光的感覺[4]。比如，由于路面的干、濕會在很大程度上改變路面的光反射特性，所以在同樣路燈照明下，雨天開車的視覺條件遠(yuǎn)不如晴天。

影響道路照明質(zhì)量的主要因素有目標(biāo)的對比度、緊鄰的背景亮度、臨近環(huán)境的適應(yīng)水平和失能眩光等，但具體到道路照明設(shè)計中，歸根結(jié)底都是照明光源、照明系統(tǒng)和道路系統(tǒng)的幾何關(guān)系相互影響的結(jié)果[5]。本文采用道路照明模擬軟件設(shè)置四車道和六車道兩種道路場景，分別采用填充介質(zhì)的LED路燈及未填充介質(zhì)的LED路燈的配光曲線進(jìn)行模擬，得出其平均照度、平均亮度等值。為了充分說明照度評價體系與亮度評價體系的介質(zhì)前后變化情況，將上述LED路燈的測試結(jié)果進(jìn)行光通量及功率歸一化處理后采用道路照明模擬軟件進(jìn)行模擬對比，從照度體系及亮度體系評價介質(zhì)填充前后路燈的道路照明效果。

3.1 功率歸一化對比

功率歸一化對比可以直觀看出同一LED路燈在介質(zhì)填充前后的道路照明效果，實(shí)測填充前后燈具功率均為68.7 W，將測試IES文件導(dǎo)入模擬軟件，設(shè)定相同的距高比，模擬結(jié)果如表3所示。

表3 不同道路應(yīng)用場景下介質(zhì)填充前后路燈的模擬結(jié)果Table 3 Simulation results of street lamps before and after medium filling under different road application scenarios

從表3的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，介質(zhì)填充前后光效值對比提升約11%，應(yīng)用道路為四車道時，介質(zhì)填充前后照明結(jié)果的平均照度值未發(fā)生變化，照射在道路有效面積上的光通量未發(fā)生變化，結(jié)合圖4LED路燈在介質(zhì)填充前后的配光曲線的變化情況，說明由于光通量分布發(fā)生變化，導(dǎo)致填充介質(zhì)所增加的光通量未照射在有效面積上，所以平均照度未發(fā)生變化。應(yīng)用道路為六車道時，介質(zhì)填充后的道路照明平均照度值有所提升，說明六車道可以承接因介質(zhì)填充導(dǎo)致的光通量的增量。同時，無論道路路況是四車道還是六車道，介質(zhì)填充后的平均亮度值均下降，亮度均勻度提升，眩光閾值增量降低。從歸一化功率的對比結(jié)果可以看出，雖然介質(zhì)填充能提升燈具光通量，但照明結(jié)果并未獲得直觀顯著的提升，因此，單一的光效提升并不意味著可以提升節(jié)能率。

3.2 光通量歸一化對比

光通量歸一化對比將LED路燈光通量設(shè)定為不變量，根據(jù)平均照度的變化情況，可以更加直觀地表達(dá)介質(zhì)填充LED路燈的配光曲線變化及其所適用的道路照明場景。將LED路燈介質(zhì)填充前后的測試數(shù)據(jù)光通量歸一化處理為15 000 lm，設(shè)定相同的距高比，模擬結(jié)果如表4所示。

表4 不同道路應(yīng)用場景下介質(zhì)填充前后路燈的模擬結(jié)果Table 4 Simulation results of street lamps before and after medium filling under different road application scenarios

從表4的相關(guān)數(shù)據(jù)可以看出，介質(zhì)填充前后的LED路燈的功率分別為90 W及81 W，數(shù)據(jù)上看填充后的燈具對比填充前的燈具節(jié)能效果高10%，但不同應(yīng)用場景的模擬結(jié)果數(shù)值并非如此。應(yīng)用道路為四車道時，介質(zhì)填充后的道路照明效果較填充前的效果無論是平均照度值，還是平均亮度值均呈下降；應(yīng)用道路為六車道時，介質(zhì)填充后的道路照明效果較填充前平均照度值相等，平均亮度值下降。

綜合3.1及3.2節(jié)的對比分析可以看出，應(yīng)用在不同的道路上，介質(zhì)填充前后LED路燈的道路照明效果的變化情況是不同的，這是因?yàn)榻橘|(zhì)填充導(dǎo)致LED路燈的配光曲線發(fā)生了變化，在垂直道路方向上的配光角度增大，這就會出現(xiàn)部分光線照射在路燈對面道路以外區(qū)域的現(xiàn)象，尤其是應(yīng)用在較窄的道路上時，從而導(dǎo)致平均照度降低；當(dāng)應(yīng)用在較寬的道路上時，光通量被全部有效用于照射路面，在相同光通量前提下，平均照度未發(fā)生變化。對于平均亮度而言，無論應(yīng)用在哪種等級的道路，采用介質(zhì)填充后的LED路燈其平均亮度值均降低，這是因?yàn)樘畛浣橘|(zhì)導(dǎo)致LED路燈能量分配發(fā)生變化，在V平面的角度增大，照射范圍變大，最大光強(qiáng)角處的光強(qiáng)值降低，入眼亮度感覺變?nèi)?。同時，不論應(yīng)用在何種道路應(yīng)用場景，照明均勻性和舒適性在介質(zhì)填充后都具有很大的提升。

介質(zhì)填充技術(shù)增加了燈具的光輸出比，但是由于改變了光通量的分布情況，在實(shí)際應(yīng)用中是否采用此技術(shù)需要結(jié)合路況和照明需求綜合評估，總體而言，采用介質(zhì)填充技術(shù)的LED路燈由于其垂直道路方向上的配光角度大，均勻度提升，照明舒適度提高，相較填充前更適用于照明質(zhì)量需求高的道路，同時要想獲得最佳的照明效果和節(jié)能效果，應(yīng)該從道路路況和實(shí)際需求出發(fā)，一路一方案。

4 結(jié)論

通過對同一盞LED路燈介質(zhì)填充前后的光度分布的測試數(shù)據(jù)分析，從燈具的利用系數(shù)(照度)及光的利用效率(亮度)一一進(jìn)行了比對分析，得到如下結(jié)論：

1)從燈具光效及總光通量方面分析，介質(zhì)填充不僅減少了界面光損，而且盡可能多地取出LED芯片發(fā)出的光線，從而燈具光輸出比會出現(xiàn)大于100%的情況，燈具光效及總光通量均有比較大的提高，但介質(zhì)填充后燈具的色溫向冷色漂移，獲得目標(biāo)色溫需要比目標(biāo)色溫低的光源來實(shí)現(xiàn)，因此，應(yīng)根據(jù)漂移量、目標(biāo)色溫和性價比來綜合評價是否選擇應(yīng)用介質(zhì)填充技術(shù)。

2)從道路應(yīng)用方面看，由于介質(zhì)填充改變了原有LED路燈的光通量分配，因此，填充前后適合的道路路況發(fā)生了改變，填充后，燈具V平面發(fā)光角度變大，最大光強(qiáng)值降低，照明均勻度提升，眩光值降低，照度值依據(jù)不同的道路路況降低或增加，亮度值降低。

因此，介質(zhì)填充技術(shù)可以做到填充前后均適應(yīng)道路照明，但燈具介質(zhì)填充前后的光學(xué)特性會發(fā)生變化，單純的認(rèn)定通過介質(zhì)填充提高了燈具的光效就認(rèn)為可以提升了節(jié)能效果是片面的。所以我們需要依據(jù)具體的道路路況和照明要求來選擇合適的燈具，依據(jù)介質(zhì)填充前后的配光變化情況來科學(xué)計算以確定其適用與否，從而獲得最佳的節(jié)能效果和照明效果。