李江龍，黃 蘭

(1.佛山市國星光電股份有限公司，廣東 佛山 528000；2.廣東環(huán)境保護工程職業(yè)學院，廣東 佛山 528216)

引言

室內(nèi)照明場所的眩光來源主要包括直接眩光和反射眩光。眩光會引起人體的不適感，嚴重眩光甚至能影響人的短期視力，長期在眩光嚴重的環(huán)境下工作會影響人的身體健康[1-3]。本文主要研究室內(nèi)平面照明燈具引起的直接眩光，如LED面板燈、筒燈、條形燈等所產(chǎn)生的直接眩光[4]。

傳統(tǒng)照明產(chǎn)品的防眩光方式主要通過遮光或截止光線，增大遮光角實現(xiàn)防眩光設計目標，這種方式對整體光通量的整體損失較大。而對于面板燈類較大發(fā)光面積的平面照明產(chǎn)品，無論是直下式面板燈還是側發(fā)光式面板燈其發(fā)光面與天花齊平，不具備采用硬截光的空間，因此需要采用新的光學設計辦法，來實現(xiàn)防眩目的。

研究發(fā)現(xiàn)，LED平面照明產(chǎn)品的防眩設計，主要有結構光學和微結構防眩兩種形式，形成以棱晶防眩和微結構防眩光膜兩種技術路線。所選用的光學材料注意進行防硫化篩查[5]。

1 防眩光技術

1.1 眩光介紹

眩光即由于視野中的亮度分布或亮度范圍的不適宜，或存在極端的對比，以致引起不舒適感覺或降低觀察細部或目標的能力的視覺現(xiàn)象。室內(nèi)眩光屬于不舒適眩光，不舒適眩光評價常見的四種方法是：統(tǒng)一眩光評價系統(tǒng)(UGR)、英國的眩光指數(shù)系統(tǒng)(GI)、美國的視覺不舒適概率系統(tǒng)(VCP)和亮度限制曲線。[6，7]。研究人員認為UGR 是四種方法中最佳的室內(nèi)不舒適眩光評估方法[8]。

對于普通照明場所的眩光的程度度量，一般度量系統(tǒng)有統(tǒng)一眩光值(UGR)和眩光值(GR)。前者適用于一般一般室內(nèi)照明場所，后者適用于體育館和其他室外場地照明。原工業(yè)和民用照明設計標準規(guī)定室內(nèi)一般照明的直接眩光，是根據(jù)亮度限制曲線進行限制的，這種限制方法只是針對單個燈具的眩光，并不能表征室內(nèi)所有燈具產(chǎn)生的總的眩光效應。因此，CIE[9，10]在綜合各國眩光計算公式的基礎上提出了UGR的計算公式。UGR是度量處于視覺環(huán)境中的照明裝置發(fā)出的光對人眼引起不舒適感主觀反應的心理參量，適用于簡單的立方體形房間的一般照明設計，燈具均勻等間距布置，燈具為雙對稱配光，觀測位置一般在縱向和橫向墻的中點，視線水平朝前觀測。UGR的測試結果是一個系統(tǒng)的工程，其涉及到很多因子影響，比如說空間大小、背景亮度、觀察者方向每個燈具的亮度、每個燈具發(fā)光部分對觀察者眼睛所形成的立體角、每個單獨燈具的位置指數(shù)等，這些因子相互作用、互相影響，最終決定了燈具UGR的測試值。本文將側重研究通過改善燈具的光學設計，來降低燈具眩光值。

1.2 傳統(tǒng)防眩技術

眩光角-室內(nèi)最遠處燈具和眩光評價點的連線與燈具的下垂線之間的夾角稱γ角，γ角大于或等于45°的范圍稱眩光角。遮光角則是光源最邊緣一點與燈具開口邊緣的連線與水平線之間的夾角。截光角則為遮光角的余角，滿足關系：遮光角=90°-截光角=45°-眩光角。

研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)防眩光技術主要有三類，第一類是深藏、遮擋阻隔的方式，減小燈具的截光角，典型應用如小角度筒燈(射燈)。第二類是通過加長反射杯，并增加防眩圈，增大遮光角，從而實現(xiàn)防眩效果，典型應用如深藏筒燈。第三類是通過格柵遮擋，增大燈具的遮光角，從而實現(xiàn)防眩效果，典型應用如格柵燈。

第一類小角度筒燈(射燈)，通過硬截光的模式，減少燈具出光面，僅允許少量光線從特定角度射出，燈具發(fā)出的光線全部控制在遮光角>30°的區(qū)域內(nèi)。這種方式光通量損失會達到50%以上，主要用在衣櫥、展柜、博物館等小角度照明場所。

第二類深藏筒燈，通過加長反射杯，增大燈具的遮光角。反射杯可以提高光效，但二次反射容易造成反射眩光。如下圖中的普通加長反射杯筒燈，由于未做防眩處理，出現(xiàn)二次反射眩光。優(yōu)質的防眩筒燈在加長反射杯的同時，增加防眩圈，把二次反射的光線又重新反射進主照明區(qū)域，從而避免了由于二次反射導致的反射眩光

第三類格柵燈，通過格柵反射片的遮擋，減少燈具的截光角(即增大燈具遮光角)，從而實現(xiàn)防眩目的。

傳統(tǒng)的防眩光技術，主要是通過遮擋的方式，增大遮光角，實現(xiàn)防眩效果。但是不可避免的是，這種方法往往需要犧牲光效。整體出光率只有原來的50%～70%。這種技術存在一定的局限性，需要較大的空間實現(xiàn)光線遮擋，難以應用到出光面較大的平面照明燈具上。

2 平面防眩技術

對于平面照明產(chǎn)品由于發(fā)光面積較大，很難用傳統(tǒng)的遮光辦法實現(xiàn)防眩光，需要在出光面通過二次光學設計實現(xiàn)防眩光目的。研究發(fā)現(xiàn)，平面照明產(chǎn)品的防眩技術有兩種路線：結構光學路線和薄膜微結構路線。

2.1 結構光學路線

結構光學路線依靠擴散膜+棱晶擴散板，擴散膜使燈具出光均勻發(fā)散，再通過棱晶擴散板使大角度的光線折射回有效照明區(qū)域，從而實現(xiàn)防眩目的。

棱晶擴散板根據(jù)形狀不同，可以分為棱晶板、六角蜂窩板和微晶板，如圖1所示。棱晶擴散板一般使用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)、聚苯乙烯(polystyrene，PS)或聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)作為基材，模壓而成。棱晶板為小凌錐結構，菱形邊長一般為1～1.5 mm。六角蜂窩板為底面為正六角形的珠面結構，六角形的對角長一般為1.5～2 mm。微晶板則是棱晶的細化，微晶的面積只有原來棱晶面積的四分之一，細化后的微晶板，均勻性更好，且有別于普通棱晶擴散板，細化后的微晶板，安裝便利。

圖1 各種棱晶板對比圖

以使用六角蜂窩防眩板的側發(fā)光面板燈為例，先通過擴散膜使光線均勻發(fā)散，發(fā)散后的光線在棱晶界面(如六角窩板的珠面結)時，通過球面反射、折射后大角度光線被匯聚到小角度的有效照明區(qū)域，從而實現(xiàn)防眩光的目的。凌晶擴散板的整體出光率可達80%～85%，如圖2所示。

圖2 六角蜂窩板結構放大圖

研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)光譜(主要為藍光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生的紅綠藍三色混光)的LED光線穿過棱晶時會產(chǎn)生散射，導致出光面可能會出現(xiàn)泛黃斑紋；棱晶與導光板網(wǎng)點間可能出現(xiàn)衍射光柵。利用DIALux軟件仿真分析發(fā)現(xiàn)[11]，由于自身光學結構影響，棱晶擴散板不能使全部大角度光學都折射回小角度的照明區(qū)域，因此結構光學路線的防眩光能力存在一定的極限值，防眩光值UGR很難做到18以下。

微晶結構可以明顯減少光柵現(xiàn)象，減少光線經(jīng)過棱晶時的散射，使光線更均勻，降低色差；并能夠搭配不同類型的導光板使用，且安裝不分方向使用更便捷。未來,結構光學路線要提高棱晶板的防眩能力，減少色差、提高光品質，棱晶結構將往更細小化的微晶結構方向發(fā)展。同時，擴散膜的擴散功能將集成到棱晶擴散板上，既能簡化產(chǎn)品結構，也避免擴散膜安裝不當，產(chǎn)生的水波紋等出光不良，提高產(chǎn)品的光品質和降低制造不良率。

2.2 薄膜微結構路線

薄膜微結構路線依靠擴散膜+防眩光膜結構對平面照明產(chǎn)品的出光進行二次調光。與結構光學路線類似，燈具發(fā)出的光線經(jīng)過微結構擴散膜后均勻擴散后，在穿過防眩膜的光學薄膜微結構界面處時發(fā)生反射和折射，大角度出射光被顯著抑制，從而改變出射光學的出射角度，降低UGR值。

擴散膜和防眩膜的基材通常是用聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)基材，或者選擇PC或PMMA基材，通過擠出、熱壓和轉印等生產(chǎn)工藝制備而成。為了使薄膜具備足夠的機械硬度支撐薄膜結構，通常會增加透明板貼合板，或者把擴散膜或防眩膜真空吸附透明貼合板。貼合板的基材通常是PC或PMMA。

微結構擴散膜與常規(guī)擴散膜的結構對比如圖3所示?？梢钥闯?，相比常規(guī)傳統(tǒng)結構較為雜亂的磨砂擴散膜結構，微結構擴散膜根據(jù)功能不同可以分為寬角度擴散膜和聚光小角度擴散膜。小角度聚光擴散膜，可把半峰光強角縮小，但是30°遮光角內(nèi)的光線仍然不可避免，且過于匯聚的光效，會使燈具出現(xiàn)較明顯的亮暗區(qū)域，不適宜在大面積發(fā)光產(chǎn)品(如面板燈)上使用。所以搭配面板燈更多使用80°寬角度擴散膜，而筒燈類小出光面積產(chǎn)品則更多搭配小角度擴散膜。

圖3 微結構擴散膜與常規(guī)磨砂擴散膜結構對比圖

傳統(tǒng)擴散膜是在透明塑料材料中添加散射粒子，在達到隱藏亮點(LED燈發(fā)光點)效果的同時，有顯著的光損失，一般遵循大角度朗伯光分布。微結構擴散膜使用透明材料，通過微結構的折射實現(xiàn)光擴散，幾乎沒有內(nèi)部光損失，而且通過折射光線還能增強中心光強，提高照明區(qū)域的有用光效。

圖4 眩光膜結構放大圖

微結構防眩光膜，目視觀察為大量規(guī)則的六角形或錐形周期緊密排列而成的光學膜。在高倍顯微鏡下，其結構放大圖如圖4所示。眩光膜的微結構單元由不足100 μm寬的等寬小圓環(huán)交會而成，相鄰三個微結構的最外層圓環(huán)相交形成六角形的角。外側第二層圓環(huán)重疊相交，形成六角形的邊，以此形成規(guī)律緊密排布的微結構光學膜。

與結構光學路線類似，眩光膜的防眩原理是利用燈具光線在通過眩光膜微結構界面時發(fā)生反射和折射，從而使大角度光線折射回有效照明區(qū)域，既增加主照明區(qū)域的中心光強，又降低燈具眩光值。以面板燈為例，未做防眩處理的面板燈(朗伯分布)、僅使用單層眩光膜、微結構擴散膜+眩光膜、微結構擴散膜+雙層眩光膜四種方案的光強分布如圖5所示?？梢钥闯?，眩光膜可以明顯抑制65°以上區(qū)域(即遮光角30°內(nèi))的光強分布，并增加L0°(即中心光強度)。利用DIALux軟件仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)，配合微結構擴散膜能夠進一步減少眩光區(qū)域光強度增加中心區(qū)域光強度，降低眩光值。擴散膜+兩層眩光膜，通過兩層眩光膜微結構調整光線，使大角度光線盡可能多地反射到中心照明區(qū)域，能夠顯著地抑制遮光角內(nèi)光強分布，進一步提高照明區(qū)域的光強，配合燈具結構調整，眩光值UGR可控制在17以下。雖然雙層防眩膜的防眩效果更好，但是多層薄膜在組裝過程中，增大了出現(xiàn)灰塵或安裝不緊密導致的衍射水波紋等發(fā)光不良發(fā)生的概率。微結構防眩膜路線的整體出光率可達90%，并能增加中心照明區(qū)域的光強度。

普通筒燈也可以通過本方案便捷地改造為防眩筒燈，并可以根據(jù)實際照射環(huán)境需要選擇不同角度的聚光微結構擴散膜，靈活調整發(fā)光角度。

薄膜微結構路線相較結構光學路線，更為均勻、色差少、光通量損失少，且可以更顯著增加中心區(qū)域光強度、UGR限值更低、防眩效果更好。但是，薄膜微結構路線的核心材料眩光膜價格高，且優(yōu)質眩光膜主要依賴進口。因此，在優(yōu)化工藝、提高防眩效果、降低薄膜成本方面，仍有較大的發(fā)展空間。

未來眩光膜將可能把雙層微結構集成在同一薄膜上，甚至是雙層微結構集成在薄膜的同一面上。擴散膜的微結構也有望集成到眩光膜上，進一步簡化防眩光產(chǎn)品的安裝工藝，并能降低多層膜片組裝過程的不良率。

圖5 防眩原理及安裝結構示意圖

3 結語

基于室內(nèi)照明產(chǎn)品的實際應用情況，研究了室內(nèi)照明LED燈具產(chǎn)品的防眩光設計。由于空間限制，傳統(tǒng)深藏或格柵的防眩設計方式并不適用發(fā)光面積較大的平面照明產(chǎn)品上。研究發(fā)現(xiàn)，平面照明產(chǎn)品的防眩設計主要有結構光學路線和薄膜微結構防眩路線兩條設計路線。結構光學路線具有成本優(yōu)勢，但仍需進一步細化調光結構，提高光品質。薄膜微結構路線的防眩效果更好，但價格高，制造和裝配工藝仍需進一步完善。