光擴散型LEDT8燈管照明設計

倪強+吳一新+陳亮+杜罡+劉楊+石巖

摘 要：簡要介紹了LED燈管的設計過程，即LED二次配光透鏡的設計，應用邊緣光線原理設計全反射面的自由曲面，然后在Solidworks軟件中構建3D模型，再將模型導入TracePro仿真軟件中進行光線追跡測試。同時，還闡述了LED燈管整體模型的建立和室內照明實例的模擬測試情況，即用6支LED燈管排布在3.6 m×5.4 m的范圍內，對比裝有二次配光透鏡和未加該裝透鏡2種情況，并得出相應的結論——加裝二次配光透鏡后，LED燈管的照度均勻度，發光效率和總光通量有所提升，實現了最終的設計目標。

關鍵詞：LED燈管；自由曲面；照明設計；配光透鏡

中圖分類號：Q945.43 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.111

以白熾燈為代表的光源發熱嚴重，工作效率不高，而且使用壽命短。而LED（Light-Emitting-Diode）的發明改變了這一切，給未來照明事業的發展指明了新方向。隨著工業制造水平的提高和研發技術的不斷發展，再加上全球節能減排、環保理念的推行，使用LED照明光源替代傳統的白熾燈和熒光燈已經成為了必然發展趨勢。

1 T8燈管設計標準

為了方便更換原有的熒光日光燈管，特將LED的驅動電路模塊置于燈管內部，其外形尺寸和燈頭型號完全按照被替換的T8型號傳統熒光燈燈管設計。LED燈管內部的兩端自帶所需的驅動電路模塊，整體形成獨立光源系統，直接接入熒光燈燈具的220 V交流電路插座之上便可以使用。同時，它比傳統熒光燈少了鎮流器和啟輝器等部件，大大節約了生產成本。

LED燈管內部中間位置裝有MCPCB板。MCPCB板上部采用單排或多排的排列結構，并封裝了SMD低功率LED光源，其下部安裝有由鋁材料制成的散熱器。內部構成的單顆LED光源發光效率最高可達100 lm/W，常見的光出射角為120°左右。其正面是由高透光率PC材料制成的透光罩，能使光擴散均勻。這種LED燈管提高了能耗的利用率，而定向角度的光照更有利于節能，獲得了較好的照明效果。

2 LED二次配光透鏡設計

如圖1所示，LED光源發出的光線被分為兩部分，只經過折射而射出的光線最終出射角度為120°，而大于120°的光線則被控制在外曲面上反射，然后再經過表面折射射出將其角度控制在120°以內。由邊緣光線原理可知，在以光軸為中心的120°角范圍內，所有光線都會經過中央平面折射，在透鏡內部傳遞后經過表面出射。根據折射定律可以判斷出射角不變，出射后范圍也在120°以內；大于120°角范圍外的出射光線要在側面的曲面上全發射后，再經表面折射，并在120°角范圍內出射。經全反射面反射再出射的這部分光線，由于入射角的變化，其發射角也在變化。因此，要求全反射面每個點上的切線斜率也要隨之變化。在計算自由曲面時，要先算出斜率變化。這樣，才能繪制曲線，使出射光線最終都能集中在一定角度內。

如圖2所示，從光源出射的光線和以光軸為中心120°范圍內的這部分光線，先通過正面的凹面折射后，再從上方正面出射。要想使出射角度與光軸夾角在±60°的范圍內，則入射光線要與光軸的夾角在±38.2°以內。因此，可用圖2所示的方法計算全反射面上的點坐標。圖2中的θ角是光源出射光線OP與光軸OO，間的夾角，Q（x，y）為折射點，δ為反射光線QR與光軸之間的夾角。

3 設計實例

利用文中所述方法設計LED燈管，并在TracePro軟件中畫出模型。

在TracePro軟件里畫出LED燈管的仿真模型，仿真單顆LED光線1 000條。測試平面的面積為25 m2（5 m×5 m），同樣放置在距發光面1.7 m處。這樣，就可以得出仿真結果。測試面入射光線光通量結果如圖3所示。

當總光通量達到615 lm時，光通量/發射光通量比為0.661，效率不高，有效照明半徑約為1.2 m。參照單只燈管的照明范圍，按照室內照明設計排布LED燈管——6支燈管分兩列排列，z軸方向相距2.4 m，x軸方向相距2.4 m，y軸方向距離發光面1.7 m。

本文對比了未加二次配光透鏡的LED燈管設計與加裝二次配光透鏡的LED燈管設計的情況，逐一替換LED光源，并應用增加二次配光透鏡的方式排列LED。由此可以看出，加裝了透鏡的LED燈管光分布更加集中、均勻。而光通量/發射光通量比值的增加說明，這種方法能有效提高光線的實際利用率。未加二次配光透鏡燈管的入射光通量如圖4所示。加裝二次配光透鏡后燈管的入射光通量如圖5所示。

比較圖4和圖5可知，通過對二次配光透鏡設計和排布的優化，該模擬照明設計室內總光通量達到5 016.2 lm，單只LED燈管發光效率達到了93 lm/W。同時，光通量/發射光通量即有效利用率達到0.899.考慮照度的均勻性，平均照度值為107.5 lux，最大照度值為132.7 lux，最小照度值為84.5 lux，兩者與平均值的差值均小于平均值的1/3，即小于35.8 lux，達到了室內照明對照度、均勻度的要求。

4 結論

最終設計保證了在一個矩形范圍內的照明效果，并且光通量也滿足辦公室的照明設計需求。文中運用Tracepro軟件對照明系統進行光線追跡仿真，分析了目標照明面上的各項參數。經過相關運算可知，來自光源70%以上的能量集中在照明目標區域，發光效率達到了90 lm/W。

參考文獻

[1]Hyun-Ju Cho，Jong-Phil Lee.Lightweight LED fluorescent lamp using engineering poly carbonate[C]//13th International Conference on Solid State Lighting，2014.

[2]買迪.LED道路照明系統的二次光學設計[D].西安：陜西科技大學，2012.

[3]杜俊盟.LED照明設計及應用趨勢[G]//2014年中國照明論壇——LED照明產品設計、應用與創新論壇創新文集.北京：中國照明學會，2014.

〔編輯：白潔〕