LED面板灯技术分析

LED面板灯技术分析

LED面板灯的优点

光源LED有着诸多优点，目前正越来越多地运用到通用照明领域。本文主要针对目前新兴的LED面板灯的相关光学设计问题做了简单阐述。针对LED面板灯的光源入光方式，导光板厚度，LED排列间隔，LED出光角度等光学参数做了光学模拟和优化。以出光效率和均匀度为优化目标，得出了两组建议配置方案。

关键词格栅灯、LED面板灯、背光照明、光学仿真优化、背光网点设计一．背景介绍

第四代光源LED随着其光效的不断提高，和价格的逐渐降低，正越来越多地渗透到通用照明领域。从室外的建筑外饰，路灯，隧道灯，到室内的射灯，桶灯，直管灯，LED已经逐步替代传统光源，或占据主导地位。

传统照明光源的照明方式，由于其体积的限制，一般以反射式为主。通过反射罩的设计来实现特定配光的要求。而LED由于其体积小，可以用反射或者透射的方法，利用反光杯或者塑料透镜，来实现照明要求。

办公室照明，目前大部分采用的是格栅灯作为主照明方式。其格栅的目的是消除其表面亮度过高所产生的眩光的影响。而如果将目前常用的荧光灯管换为LED直管灯，其眩光影响会更加明显。现在LED直管灯很多采用的LED 阵列排布，外加透明灯罩来实现。由于LED的发光面积小，其表面亮度会比荧光灯管更高，所以眩光问题更加严重。

如果利用背光照明的方法，则可以解决上述问题。

下面来介绍一下背光照明的基本原理。

我们现在指的背光主要是侧发光式背光，其原理是通过在导光板底部添加突起或凹坑，甚至是硬刷白色反光点，改变光线的传播方向实现正面出射光线的效果。

在背光的设计中，一个主要的目标和挑战是保证在垂直光的传播方向上提升光的利用效率，如下图1所示。

图1 光线传输示意图

入射光在导光板的传导过程中，若碰到散光点，就会形成各个角度的漫反射光，光能量的传播是随导光板的长度变化的，因此为保证出射光的均匀，出光的效率要随导光板长度的增加而增加，如下图2所示。漫反射光的强弱与该位置的入射光强度成正比，与散射点的面积成正比。因此在入射光传播过程中，由于漫反射作用使得入射光的强度在逐渐减弱，因此为了保证导光板两边出光能够均匀，靠近光源这端的散射点的直径要小一些，而在另一端的直径则要大一些，如图3所示。

图2设计目标：均匀性

图3 导光板网点示意图

改变光提取效率的方法有多种：可以通过改变导光板上网点的密度、网点大小以及网点的排布间距等方式。导光板底面的具体网点分布与LED的实际配光曲线有关，与背光板的具体尺寸也有关，设计的关键就在于找到一种合理的网点分布以获得均匀的亮度分布。

可以按照上述方法，利用光学软件进行建模，设置不同的网点参数，网点参数可以是大小或密度变化的二维或三维网点。为提供最好的均匀性可显示网点的密度变化，为避免产生莫尔条纹，每个区域网点的密度是不一样的。

然后利用蒙特卡罗随机光线追踪的方法进行光度计算和模拟，并对追踪结果进行分析，以确定将导光板分割的单元数目；然后，通过对输出的照度分布图形进行的分析，通过不断反复调整网点参数进行优化，可以得到最终最佳的亮度和均匀性。

在Lightools里面，还提供了一个特别的网点优化工具，叫做BPO （Backlight Pattern Optimization）,它是由ORA专门开发的对手机和仪器仪表盘背光进行网点设计的优化工具，它可以实现对上述网点设计的自动优化。BPO通过改变网点的间距和大小来实现设计的要求，网点优化可以是2维的平面网点也可以是3维的网点。

一．LED面板灯结构

利用上面介绍的背光原理我们设计一款LED面板灯，来替换传统的格栅灯。

下面是其结构组成：

导光板大小: 大小595mm*595mm

光源大小：1mm*1mm,朗伯发光，光源总光通量为100lm

评价标准: 1.表面照度均匀度(最小值/最大值)

2.灯具出光效率(灯具输出的光通量/光源总的光通量).

背光模组结构如下图所示：

二．光学模拟

针对上述结构，我们针对LED入光方式、导光板厚度，LED间隔分别用

LightTools光学设计软件做了模拟和优化。

方案(一)在光源总光通量一样的情况下分别从单侧,双侧,四侧入光的情况。

导光板厚度为4mm；LED间隔为10mm；入光侧端面为光滑的垂直切面,非入光

侧贴反光条。

单侧入光双侧入光四侧入光

照度均匀度=199.73/234=85% 照度均匀度=200.68/222.57=90% 照度均匀度=203.45/223.93=91% 灯具出光效率77% 灯具出光效率74.9% 灯具出光效率74.9%

侧入光的均匀性最高。

方案(二) 导光板厚度不同: 3mm,4mm,5mm情况。LED从两侧入光；LED间隔

为10mm；入光侧端面为光滑的垂直切面, 非入光侧帖反光条

导光板厚度3mm 导光板厚度4mm 导光板厚度5mm

从三种不同厚度的导光板的仿真结果来看，厚度为4mm的导光板的均匀

性最好，3mm的导光板次之。在效率方面，3mm的导光板效率最高，4mm的导

光板次之。

方案(三) LED间隔不同: 5mm,10mm,15mm。光源从两侧入光；导光板厚度为

4mm；入光侧端面为光滑的垂直切面, 非入光侧帖反光条

LED间隔5mm LED间隔10mm LED间隔15mm

照度均匀度=203.91/222.24=92%照度均匀度=200.68/222.57=90%照度均匀度=179.19/244.34=73%灯具出光效率75%灯具出光效率74.9% 灯具出光效率74.9%

从不同间隔LED的仿真结果来分析，间隔为5mm的LED排布方式能得到

最好的均匀性。间隔从10mm到15mm，均匀性迅速降低。

三．结论

在方案一中，有三种不同的入光方式，分别为单侧，双侧和四侧。从三

种不同的入光方式的参数对比来看，单侧入光的效率最高，而四侧入光的均

匀性最高,两侧入光无论在均匀性和效率方面很平均。

方案二和方案三共同点是LED都是双侧入光。不同之处在于导光板的厚

度和LED的排布间隔。从方案二和方案三的仿真结果的对比来看，当导光板

的厚度为4mm，LED的间隔为5mm时，所得到的仿真结果相比其他情况，能

得到更好的均匀性和灯具效率。

从上面方案中，我们可以得到两种优秀的结果。这两种结果所采用的方

法却不相同。两种配置分别是1. 两侧入光，导光板的厚度为4mm，LED的间

隔为5mm。2. 单侧入光，导光板的厚度为4mm，LED的间隔为10mm。其对应

的仿真效果如下图。

从两个方案的仿真结果来分析，两侧入光方案的均匀度明显高于单侧入

光的情况，而两个方案的效率差不多。对于面板灯设计，我推荐使用单侧入

光的方式，因为虽然在均匀性上不如两侧入光的高，但是也有85%，已经足

够了，我们更看重的是出光效率。