光扩散型LEDT8灯管照明设计

倪强+吴一新+陈亮+杜罡+刘杨+石岩

摘 要：简要介绍了LED灯管的设计过程，即LED二次配光透镜的设计，应用边缘光线原理设计全反射面的自由曲面，然后在Solidworks软件中构建3D模型，再将模型导入TracePro仿真软件中进行光线追迹测试。同时，还阐述了LED灯管整体模型的建立和室内照明实例的模拟测试情况，即用6支LED灯管排布在3.6 m×5.4 m的范围内，对比装有二次配光透镜和未加该装透镜2种情况，并得出相应的结论——加装二次配光透镜后，LED灯管的照度均匀度，发光效率和总光通量有所提升，实现了最终的设计目标。

关键词：LED灯管；自由曲面；照明设计；配光透镜

中图分类号：Q945.43 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.10.111

以白炽灯为代表的光源发热严重，工作效率不高，而且使用寿命短。而LED（Light-Emitting-Diode）的发明改变了这一切，给未来照明事业的发展指明了新方向。随着工业制造水平的提高和研发技术的不断发展，再加上全球节能减排、环保理念的推行，使用LED照明光源替代传统的白炽灯和荧光灯已经成为了必然发展趋势。

1 T8灯管设计标准

为了方便更换原有的荧光日光灯管，特将LED的驱动电路模块置于灯管内部，其外形尺寸和灯头型号完全按照被替换的T8型号传统荧光灯灯管设计。LED灯管内部的两端自带所需的驱动电路模块，整体形成独立光源系统，直接接入荧光灯灯具的220 V交流电路插座之上便可以使用。同时，它比传统荧光灯少了镇流器和启辉器等部件，大大节约了生产成本。

LED灯管内部中间位置装有MCPCB板。MCPCB板上部采用单排或多排的排列结构，并封装了SMD低功率LED光源，其下部安装有由铝材料制成的散热器。内部构成的单颗LED光源发光效率最高可达100 lm/W，常见的光出射角为120°左右。其正面是由高透光率PC材料制成的透光罩，能使光扩散均匀。这种LED灯管提高了能耗的利用率，而定向角度的光照更有利于节能，获得了较好的照明效果。

2 LED二次配光透镜设计

如图1所示，LED光源发出的光线被分为两部分，只经过折射而射出的光线最终出射角度为120°，而大于120°的光线则被控制在外曲面上反射，然后再经过表面折射射出将其角度控制在120°以内。由边缘光线原理可知，在以光轴为中心的120°角范围内，所有光线都会经过中央平面折射，在透镜内部传递后经过表面出射。根据折射定律可以判断出射角不变，出射后范围也在120°以内；大于120°角范围外的出射光线要在侧面的曲面上全发射后，再经表面折射，并在120°角范围内出射。经全反射面反射再出射的这部分光线，由于入射角的变化，其发射角也在变化。因此，要求全反射面每个点上的切线斜率也要随之变化。在计算自由曲面时，要先算出斜率变化。这样，才能绘制曲线，使出射光线最终都能集中在一定角度内。

如图2所示，从光源出射的光线和以光轴为中心120°范围内的这部分光线，先通过正面的凹面折射后，再从上方正面出射。要想使出射角度与光轴夹角在±60°的范围内，则入射光线要与光轴的夹角在±38.2°以内。因此，可用图2所示的方法计算全反射面上的点坐标。图2中的θ角是光源出射光线OP与光轴OO，间的夹角，Q（x，y）为折射点，δ为反射光线QR与光轴之间的夹角。

3 设计实例

利用文中所述方法设计LED灯管，并在TracePro软件中画出模型。

在TracePro软件里画出LED灯管的仿真模型，仿真单颗LED光线1 000条。测试平面的面积为25 m2（5 m×5 m），同样放置在距发光面1.7 m处。这样，就可以得出仿真结果。测试面入射光线光通量结果如图3所示。

当总光通量达到615 lm时，光通量/发射光通量比为0.661，效率不高，有效照明半径约为1.2 m。参照单只灯管的照明范围，按照室内照明设计排布LED灯管——6支灯管分两列排列，z轴方向相距2.4 m，x轴方向相距2.4 m，y轴方向距离发光面1.7 m。

本文对比了未加二次配光透镜的LED灯管设计与加装二次配光透镜的LED灯管设计的情况，逐一替换LED光源，并应用增加二次配光透镜的方式排列LED。由此可以看出，加装了透镜的LED灯管光分布更加集中、均匀。而光通量/发射光通量比值的增加说明，这种方法能有效提高光线的实际利用率。未加二次配光透镜灯管的入射光通量如图4所示。加装二次配光透镜后灯管的入射光通量如图5所示。

比较图4和图5可知，通过对二次配光透镜设计和排布的优化，该模拟照明设计室内总光通量达到5 016.2 lm，单只LED灯管发光效率达到了93 lm/W。同时，光通量/发射光通量即有效利用率达到0.899.考虑照度的均匀性，平均照度值为107.5 lux，最大照度值为132.7 lux，最小照度值为84.5 lux，两者与平均值的差值均小于平均值的1/3，即小于35.8 lux，达到了室内照明对照度、均匀度的要求。

4 结论

最终设计保证了在一个矩形范围内的照明效果，并且光通量也满足办公室的照明设计需求。文中运用Tracepro软件对照明系统进行光线追迹仿真，分析了目标照明面上的各项参数。经过相关运算可知，来自光源70%以上的能量集中在照明目标区域，发光效率达到了90 lm/W。

参考文献

[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]买迪.LED道路照明系统的二次光学设计[D].西安：陕西科技大学，2012.

[3]杜俊盟.LED照明设计及应用趋势[G]//2014年中国照明论坛——LED照明产品设计、应用与创新论坛创新文集.北京：中国照明学会，2014.

〔编辑：白洁〕