基于室内平面照明灯具的防眩光设计

李江龙，黄 兰

(1.佛山市国星光电股份有限公司，广东 佛山 528000；2.广东环境保护工程职业学院，广东 佛山 528216)

引言

室内照明场所的眩光来源主要包括直接眩光和反射眩光。眩光会引起人体的不适感，严重眩光甚至能影响人的短期视力，长期在眩光严重的环境下工作会影响人的身体健康[1-3]。本文主要研究室内平面照明灯具引起的直接眩光，如LED面板灯、筒灯、条形灯等所产生的直接眩光[4]。

传统照明产品的防眩光方式主要通过遮光或截止光线，增大遮光角实现防眩光设计目标，这种方式对整体光通量的整体损失较大。而对于面板灯类较大发光面积的平面照明产品，无论是直下式面板灯还是侧发光式面板灯其发光面与天花齐平，不具备采用硬截光的空间，因此需要采用新的光学设计办法，来实现防眩目的。

研究发现，LED平面照明产品的防眩设计，主要有结构光学和微结构防眩两种形式，形成以棱晶防眩和微结构防眩光膜两种技术路线。所选用的光学材料注意进行防硫化筛查[5]。

1 防眩光技术

1.1 眩光介绍

眩光即由于视野中的亮度分布或亮度范围的不适宜，或存在极端的对比，以致引起不舒适感觉或降低观察细部或目标的能力的视觉现象。室内眩光属于不舒适眩光，不舒适眩光评价常见的四种方法是：统一眩光评价系统(UGR)、英国的眩光指数系统(GI)、美国的视觉不舒适概率系统(VCP)和亮度限制曲线。[6，7]。研究人员认为UGR 是四种方法中最佳的室内不舒适眩光评估方法[8]。

对于普通照明场所的眩光的程度度量，一般度量系统有统一眩光值(UGR)和眩光值(GR)。前者适用于一般一般室内照明场所，后者适用于体育馆和其他室外场地照明。原工业和民用照明设计标准规定室内一般照明的直接眩光，是根据亮度限制曲线进行限制的，这种限制方法只是针对单个灯具的眩光，并不能表征室内所有灯具产生的总的眩光效应。因此，CIE[9，10]在综合各国眩光计算公式的基础上提出了UGR的计算公式。UGR是度量处于视觉环境中的照明装置发出的光对人眼引起不舒适感主观反应的心理参量，适用于简单的立方体形房间的一般照明设计，灯具均匀等间距布置，灯具为双对称配光，观测位置一般在纵向和横向墙的中点，视线水平朝前观测。UGR的测试结果是一个系统的工程，其涉及到很多因子影响，比如说空间大小、背景亮度、观察者方向每个灯具的亮度、每个灯具发光部分对观察者眼睛所形成的立体角、每个单独灯具的位置指数等，这些因子相互作用、互相影响，最终决定了灯具UGR的测试值。本文将侧重研究通过改善灯具的光学设计，来降低灯具眩光值。

1.2 传统防眩技术

眩光角-室内最远处灯具和眩光评价点的连线与灯具的下垂线之间的夹角称γ角，γ角大于或等于45°的范围称眩光角。遮光角则是光源最边缘一点与灯具开口边缘的连线与水平线之间的夹角。截光角则为遮光角的余角，满足关系：遮光角=90°-截光角=45°-眩光角。

研究发现，传统防眩光技术主要有三类，第一类是深藏、遮挡阻隔的方式，减小灯具的截光角，典型应用如小角度筒灯(射灯)。第二类是通过加长反射杯，并增加防眩圈，增大遮光角，从而实现防眩效果，典型应用如深藏筒灯。第三类是通过格栅遮挡，增大灯具的遮光角，从而实现防眩效果，典型应用如格栅灯。

第一类小角度筒灯(射灯)，通过硬截光的模式，减少灯具出光面，仅允许少量光线从特定角度射出，灯具发出的光线全部控制在遮光角>30°的区域内。这种方式光通量损失会达到50%以上，主要用在衣橱、展柜、博物馆等小角度照明场所。

第二类深藏筒灯，通过加长反射杯，增大灯具的遮光角。反射杯可以提高光效，但二次反射容易造成反射眩光。如下图中的普通加长反射杯筒灯，由于未做防眩处理，出现二次反射眩光。优质的防眩筒灯在加长反射杯的同时，增加防眩圈，把二次反射的光线又重新反射进主照明区域，从而避免了由于二次反射导致的反射眩光

第三类格栅灯，通过格栅反射片的遮挡，减少灯具的截光角(即增大灯具遮光角)，从而实现防眩目的。

传统的防眩光技术，主要是通过遮挡的方式，增大遮光角，实现防眩效果。但是不可避免的是，这种方法往往需要牺牲光效。整体出光率只有原来的50%～70%。这种技术存在一定的局限性，需要较大的空间实现光线遮挡，难以应用到出光面较大的平面照明灯具上。

2 平面防眩技术

对于平面照明产品由于发光面积较大，很难用传统的遮光办法实现防眩光，需要在出光面通过二次光学设计实现防眩光目的。研究发现，平面照明产品的防眩技术有两种路线：结构光学路线和薄膜微结构路线。

2.1 结构光学路线

结构光学路线依靠扩散膜+棱晶扩散板，扩散膜使灯具出光均匀发散，再通过棱晶扩散板使大角度的光线折射回有效照明区域，从而实现防眩目的。

棱晶扩散板根据形状不同，可以分为棱晶板、六角蜂窝板和微晶板，如图1所示。棱晶扩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)作为基材，模压而成。棱晶板为小凌锥结构，菱形边长一般为1～1.5 mm。六角蜂窝板为底面为正六角形的珠面结构，六角形的对角长一般为1.5～2 mm。微晶板则是棱晶的细化，微晶的面积只有原来棱晶面积的四分之一，细化后的微晶板，均匀性更好，且有别于普通棱晶扩散板，细化后的微晶板，安装便利。

图1 各种棱晶板对比图

以使用六角蜂窝防眩板的侧发光面板灯为例，先通过扩散膜使光线均匀发散，发散后的光线在棱晶界面(如六角窝板的珠面结)时，通过球面反射、折射后大角度光线被汇聚到小角度的有效照明区域，从而实现防眩光的目的。凌晶扩散板的整体出光率可达80%～85%，如图2所示。

图2 六角蜂窝板结构放大图

研究发现，连续光谱(主要为蓝光激发荧光粉产生的红绿蓝三色混光)的LED光线穿过棱晶时会产生散射，导致出光面可能会出现泛黄斑纹；棱晶与导光板网点间可能出现衍射光栅。利用DIALux软件仿真分析发现[11]，由于自身光学结构影响，棱晶扩散板不能使全部大角度光学都折射回小角度的照明区域，因此结构光学路线的防眩光能力存在一定的极限值，防眩光值UGR很难做到18以下。

微晶结构可以明显减少光栅现象，减少光线经过棱晶时的散射，使光线更均匀，降低色差；并能够搭配不同类型的导光板使用，且安装不分方向使用更便捷。未来,结构光学路线要提高棱晶板的防眩能力，减少色差、提高光品质，棱晶结构将往更细小化的微晶结构方向发展。同时，扩散膜的扩散功能将集成到棱晶扩散板上，既能简化产品结构，也避免扩散膜安装不当，产生的水波纹等出光不良，提高产品的光品质和降低制造不良率。

2.2 薄膜微结构路线

薄膜微结构路线依靠扩散膜+防眩光膜结构对平面照明产品的出光进行二次调光。与结构光学路线类似，灯具发出的光线经过微结构扩散膜后均匀扩散后，在穿过防眩膜的光学薄膜微结构界面处时发生反射和折射，大角度出射光被显著抑制，从而改变出射光学的出射角度，降低UGR值。

扩散膜和防眩膜的基材通常是用聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)基材，或者选择PC或PMMA基材，通过挤出、热压和转印等生产工艺制备而成。为了使薄膜具备足够的机械硬度支撑薄膜结构，通常会增加透明板贴合板，或者把扩散膜或防眩膜真空吸附透明贴合板。贴合板的基材通常是PC或PMMA。

微结构扩散膜与常规扩散膜的结构对比如图3所示。可以看出，相比常规传统结构较为杂乱的磨砂扩散膜结构，微结构扩散膜根据功能不同可以分为宽角度扩散膜和聚光小角度扩散膜。小角度聚光扩散膜，可把半峰光强角缩小，但是30°遮光角内的光线仍然不可避免，且过于汇聚的光效，会使灯具出现较明显的亮暗区域，不适宜在大面积发光产品(如面板灯)上使用。所以搭配面板灯更多使用80°宽角度扩散膜，而筒灯类小出光面积产品则更多搭配小角度扩散膜。

图3 微结构扩散膜与常规磨砂扩散膜结构对比图

传统扩散膜是在透明塑料材料中添加散射粒子，在达到隐藏亮点(LED灯发光点)效果的同时，有显著的光损失，一般遵循大角度朗伯光分布。微结构扩散膜使用透明材料，通过微结构的折射实现光扩散，几乎没有内部光损失，而且通过折射光线还能增强中心光强，提高照明区域的有用光效。

图4 眩光膜结构放大图

微结构防眩光膜，目视观察为大量规则的六角形或锥形周期紧密排列而成的光学膜。在高倍显微镜下，其结构放大图如图4所示。眩光膜的微结构单元由不足100 μm宽的等宽小圆环交会而成，相邻三个微结构的最外层圆环相交形成六角形的角。外侧第二层圆环重叠相交，形成六角形的边，以此形成规律紧密排布的微结构光学膜。

与结构光学路线类似，眩光膜的防眩原理是利用灯具光线在通过眩光膜微结构界面时发生反射和折射，从而使大角度光线折射回有效照明区域，既增加主照明区域的中心光强，又降低灯具眩光值。以面板灯为例，未做防眩处理的面板灯(朗伯分布)、仅使用单层眩光膜、微结构扩散膜+眩光膜、微结构扩散膜+双层眩光膜四种方案的光强分布如图5所示。可以看出，眩光膜可以明显抑制65°以上区域(即遮光角30°内)的光强分布，并增加L0°(即中心光强度)。利用DIALux软件仿真分析，研究发现，配合微结构扩散膜能够进一步减少眩光区域光强度增加中心区域光强度，降低眩光值。扩散膜+两层眩光膜，通过两层眩光膜微结构调整光线，使大角度光线尽可能多地反射到中心照明区域，能够显著地抑制遮光角内光强分布，进一步提高照明区域的光强，配合灯具结构调整，眩光值UGR可控制在17以下。虽然双层防眩膜的防眩效果更好，但是多层薄膜在组装过程中，增大了出现灰尘或安装不紧密导致的衍射水波纹等发光不良发生的概率。微结构防眩膜路线的整体出光率可达90%，并能增加中心照明区域的光强度。

普通筒灯也可以通过本方案便捷地改造为防眩筒灯，并可以根据实际照射环境需要选择不同角度的聚光微结构扩散膜，灵活调整发光角度。

薄膜微结构路线相较结构光学路线，更为均匀、色差少、光通量损失少，且可以更显著增加中心区域光强度、UGR限值更低、防眩效果更好。但是，薄膜微结构路线的核心材料眩光膜价格高，且优质眩光膜主要依赖进口。因此，在优化工艺、提高防眩效果、降低薄膜成本方面，仍有较大的发展空间。

未来眩光膜将可能把双层微结构集成在同一薄膜上，甚至是双层微结构集成在薄膜的同一面上。扩散膜的微结构也有望集成到眩光膜上，进一步简化防眩光产品的安装工艺，并能降低多层膜片组装过程的不良率。

图5 防眩原理及安装结构示意图

3 结语

基于室内照明产品的实际应用情况，研究了室内照明LED灯具产品的防眩光设计。由于空间限制，传统深藏或格栅的防眩设计方式并不适用发光面积较大的平面照明产品上。研究发现，平面照明产品的防眩设计主要有结构光学路线和薄膜微结构防眩路线两条设计路线。结构光学路线具有成本优势，但仍需进一步细化调光结构，提高光品质。薄膜微结构路线的防眩效果更好，但价格高，制造和装配工艺仍需进一步完善。