李江龍，黃 蘭

(1.佛山市國(guó)星光電股份有限公司，廣東 佛山 528000；2.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院，廣東 佛山 528216)

引言

室內(nèi)照明場(chǎng)所的眩光來(lái)源主要包括直接眩光和反射眩光。眩光會(huì)引起人體的不適感，嚴(yán)重眩光甚至能影響人的短期視力，長(zhǎng)期在眩光嚴(yán)重的環(huán)境下工作會(huì)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(guò)遮光或截止光線，增大遮光角實(shí)現(xiàn)防眩光設(shè)計(jì)目標(biāo)，這種方式對(duì)整體光通量的整體損失較大。而對(duì)于面板燈類較大發(fā)光面積的平面照明產(chǎn)品，無(wú)論是直下式面板燈還是側(cè)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(xué)設(shè)計(jì)辦法，來(lái)實(shí)現(xiàn)防眩目的。

研究發(fā)現(xiàn)，LED平面照明產(chǎn)品的防眩設(shè)計(jì)，主要有結(jié)構(gòu)光學(xué)和微結(jié)構(gòu)防眩兩種形式，形成以棱晶防眩和微結(jié)構(gòu)防眩光膜兩種技術(shù)路線。所選用的光學(xué)材料注意進(jìn)行防硫化篩查[5]。

1 防眩光技術(shù)

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(duì)比，以致引起不舒適感覺(jué)或降低觀察細(xì)部或目標(biāo)的能力的視覺(jué)現(xiàn)象。室內(nèi)眩光屬于不舒適眩光，不舒適眩光評(píng)價(jià)常見(jiàn)的四種方法是：統(tǒng)一眩光評(píng)價(jià)系統(tǒng)(UGR)、英國(guó)的眩光指數(shù)系統(tǒng)(GI)、美國(guó)的視覺(jué)不舒適概率系統(tǒng)(VCP)和亮度限制曲線。[6，7]。研究人員認(rèn)為UGR 是四種方法中最佳的室內(nèi)不舒適眩光評(píng)估方法[8]。

對(duì)于普通照明場(chǎng)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(chǎng)所，后者適用于體育館和其他室外場(chǎng)地照明。原工業(yè)和民用照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行限制的，這種限制方法只是針對(duì)單個(gè)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(yīng)。因此，CIE[9，10]在綜合各國(guó)眩光計(jì)算公式的基礎(chǔ)上提出了UGR的計(jì)算公式。UGR是度量處于視覺(jué)環(huán)境中的照明裝置發(fā)出的光對(duì)人眼引起不舒適感主觀反應(yīng)的心理參量，適用于簡(jiǎn)單的立方體形房間的一般照明設(shè)計(jì)，燈具均勻等間距布置，燈具為雙對(duì)稱配光，觀測(cè)位置一般在縱向和橫向墻的中點(diǎn)，視線水平朝前觀測(cè)。UGR的測(cè)試結(jié)果是一個(gè)系統(tǒng)的工程，其涉及到很多因子影響，比如說(shuō)空間大小、背景亮度、觀察者方向每個(gè)燈具的亮度、每個(gè)燈具發(fā)光部分對(duì)觀察者眼睛所形成的立體角、每個(gè)單獨(dú)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(cè)試值。本文將側(cè)重研究通過(guò)改善燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)，來(lái)降低燈具眩光值。

1.2 傳統(tǒng)防眩技術(shù)

眩光角-室內(nèi)最遠(yuǎn)處燈具和眩光評(píng)價(jià)點(diǎn)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(diǎn)與燈具開(kāi)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(guān)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(shù)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(yīng)用如小角度筒燈(射燈)。第二類是通過(guò)加長(zhǎng)反射杯，并增加防眩圈，增大遮光角，從而實(shí)現(xiàn)防眩效果，典型應(yīng)用如深藏筒燈。第三類是通過(guò)格柵遮擋，增大燈具的遮光角，從而實(shí)現(xiàn)防眩效果，典型應(yīng)用如格柵燈。

第一類小角度筒燈(射燈)，通過(guò)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(huì)達(dá)到50%以上，主要用在衣櫥、展柜、博物館等小角度照明場(chǎng)所。

第二類深藏筒燈，通過(guò)加長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhì)的防眩筒燈在加長(zhǎng)反射杯的同時(shí)，增加防眩圈，把二次反射的光線又重新反射進(jìn)主照明區(qū)域，從而避免了由于二次反射導(dǎo)致的反射眩光

第三類格柵燈，通過(guò)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(shí)現(xiàn)防眩目的。

傳統(tǒng)的防眩光技術(shù)，主要是通過(guò)遮擋的方式，增大遮光角，實(shí)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(lái)的50%～70%。這種技術(shù)存在一定的局限性，需要較大的空間實(shí)現(xiàn)光線遮擋，難以應(yīng)用到出光面較大的平面照明燈具上。

2 平面防眩技術(shù)

對(duì)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(shí)現(xiàn)防眩光，需要在出光面通過(guò)二次光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)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(shù)有兩種路線：結(jié)構(gòu)光學(xué)路線和薄膜微結(jié)構(gòu)路線。

2.1 結(jié)構(gòu)光學(xué)路線

結(jié)構(gòu)光學(xué)路線依靠擴(kuò)散膜+棱晶擴(kuò)散板，擴(kuò)散膜使燈具出光均勻發(fā)散，再通過(guò)棱晶擴(kuò)散板使大角度的光線折射回有效照明區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)防眩目的。

棱晶擴(kuò)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(kuò)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(jié)構(gòu)，菱形邊長(zhǎng)一般為1～1.5 mm。六角蜂窩板為底面為正六角形的珠面結(jié)構(gòu)，六角形的對(duì)角長(zhǎng)一般為1.5～2 mm。微晶板則是棱晶的細(xì)化，微晶的面積只有原來(lái)棱晶面積的四分之一，細(xì)化后的微晶板，均勻性更好，且有別于普通棱晶擴(kuò)散板，細(xì)化后的微晶板，安裝便利。

圖1 各種棱晶板對(duì)比圖

以使用六角蜂窩防眩板的側(cè)發(fā)光面板燈為例，先通過(guò)擴(kuò)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(jié))時(shí)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)防眩光的目的。凌晶擴(kuò)散板的整體出光率可達(dá)80%～85%，如圖2所示。

圖2 六角蜂窩板結(jié)構(gòu)放大圖

研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)光譜(主要為藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生的紅綠藍(lán)三色混光)的LED光線穿過(guò)棱晶時(shí)會(huì)產(chǎn)生散射，導(dǎo)致出光面可能會(huì)出現(xiàn)泛黃斑紋；棱晶與導(dǎo)光板網(wǎng)點(diǎn)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(xué)結(jié)構(gòu)影響，棱晶擴(kuò)散板不能使全部大角度光學(xué)都折射回小角度的照明區(qū)域，因此結(jié)構(gòu)光學(xué)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(jié)構(gòu)可以明顯減少光柵現(xiàn)象，減少光線經(jīng)過(guò)棱晶時(shí)的散射，使光線更均勻，降低色差；并能夠搭配不同類型的導(dǎo)光板使用，且安裝不分方向使用更便捷。未來(lái),結(jié)構(gòu)光學(xué)路線要提高棱晶板的防眩能力，減少色差、提高光品質(zhì)，棱晶結(jié)構(gòu)將往更細(xì)小化的微晶結(jié)構(gòu)方向發(fā)展。同時(shí)，擴(kuò)散膜的擴(kuò)散功能將集成到棱晶擴(kuò)散板上，既能簡(jiǎn)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，也避免擴(kuò)散膜安裝不當(dāng)，產(chǎn)生的水波紋等出光不良，提高產(chǎn)品的光品質(zhì)和降低制造不良率。

2.2 薄膜微結(jié)構(gòu)路線

薄膜微結(jié)構(gòu)路線依靠擴(kuò)散膜+防眩光膜結(jié)構(gòu)對(duì)平面照明產(chǎn)品的出光進(jìn)行二次調(diào)光。與結(jié)構(gòu)光學(xué)路線類似，燈具發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散膜后均勻擴(kuò)散后，在穿過(guò)防眩膜的光學(xué)薄膜微結(jié)構(gòu)界面處時(shí)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(xué)的出射角度，降低UGR值。

擴(kuò)散膜和防眩膜的基材通常是用聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate，PET)基材，或者選擇PC或PMMA基材，通過(guò)擠出、熱壓和轉(zhuǎn)印等生產(chǎn)工藝制備而成。為了使薄膜具備足夠的機(jī)械硬度支撐薄膜結(jié)構(gòu)，通常會(huì)增加透明板貼合板，或者把擴(kuò)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(jié)構(gòu)擴(kuò)散膜與常規(guī)擴(kuò)散膜的結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖3所示。可以看出，相比常規(guī)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為雜亂的磨砂擴(kuò)散膜結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散膜根據(jù)功能不同可以分為寬角度擴(kuò)散膜和聚光小角度擴(kuò)散膜。小角度聚光擴(kuò)散膜，可把半峰光強(qiáng)角縮小，但是30°遮光角內(nèi)的光線仍然不可避免，且過(guò)于匯聚的光效，會(huì)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(kuò)散膜，而筒燈類小出光面積產(chǎn)品則更多搭配小角度擴(kuò)散膜。

圖3 微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散膜與常規(guī)磨砂擴(kuò)散膜結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

傳統(tǒng)擴(kuò)散膜是在透明塑料材料中添加散射粒子，在達(dá)到隱藏亮點(diǎn)(LED燈發(fā)光點(diǎn))效果的同時(shí)，有顯著的光損失，一般遵循大角度朗伯光分布。微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散膜使用透明材料，通過(guò)微結(jié)構(gòu)的折射實(shí)現(xiàn)光擴(kuò)散，幾乎沒(méi)有內(nèi)部光損失，而且通過(guò)折射光線還能增強(qiáng)中心光強(qiáng)，提高照明區(qū)域的有用光效。

圖4 眩光膜結(jié)構(gòu)放大圖

微結(jié)構(gòu)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(xué)膜。在高倍顯微鏡下，其結(jié)構(gòu)放大圖如圖4所示。眩光膜的微結(jié)構(gòu)單元由不足100 μm寬的等寬小圓環(huán)交會(huì)而成，相鄰三個(gè)微結(jié)構(gòu)的最外層圓環(huán)相交形成六角形的角。外側(cè)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(jié)構(gòu)光學(xué)膜。

與結(jié)構(gòu)光學(xué)路線類似，眩光膜的防眩原理是利用燈具光線在通過(guò)眩光膜微結(jié)構(gòu)界面時(shí)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(qiáng)，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(jié)構(gòu)擴(kuò)散膜+眩光膜、微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散膜+雙層眩光膜四種方案的光強(qiáng)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(qiáng)分布，并增加L0°(即中心光強(qiáng)度)。利用DIALux軟件仿真分析，研究發(fā)現(xiàn)，配合微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散膜能夠進(jìn)一步減少眩光區(qū)域光強(qiáng)度增加中心區(qū)域光強(qiáng)度，降低眩光值。擴(kuò)散膜+兩層眩光膜，通過(guò)兩層眩光膜微結(jié)構(gòu)調(diào)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(qiáng)分布，進(jìn)一步提高照明區(qū)域的光強(qiáng)，配合燈具結(jié)構(gòu)調(diào)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(guò)程中，增大了出現(xiàn)灰塵或安裝不緊密導(dǎo)致的衍射水波紋等發(fā)光不良發(fā)生的概率。微結(jié)構(gòu)防眩膜路線的整體出光率可達(dá)90%，并能增加中心照明區(qū)域的光強(qiáng)度。

普通筒燈也可以通過(guò)本方案便捷地改造為防眩筒燈，并可以根據(jù)實(shí)際照射環(huán)境需要選擇不同角度的聚光微結(jié)構(gòu)擴(kuò)散膜，靈活調(diào)整發(fā)光角度。

薄膜微結(jié)構(gòu)路線相較結(jié)構(gòu)光學(xué)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(qiáng)度、UGR限值更低、防眩效果更好。但是，薄膜微結(jié)構(gòu)路線的核心材料眩光膜價(jià)格高，且優(yōu)質(zhì)眩光膜主要依賴進(jìn)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(lái)眩光膜將可能把雙層微結(jié)構(gòu)集成在同一薄膜上，甚至是雙層微結(jié)構(gòu)集成在薄膜的同一面上。擴(kuò)散膜的微結(jié)構(gòu)也有望集成到眩光膜上，進(jìn)一步簡(jiǎn)化防眩光產(chǎn)品的安裝工藝，并能降低多層膜片組裝過(guò)程的不良率。

圖5 防眩原理及安裝結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

基于室內(nèi)照明產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用情況，研究了室內(nèi)照明LED燈具產(chǎn)品的防眩光設(shè)計(jì)。由于空間限制，傳統(tǒng)深藏或格柵的防眩設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)主要有結(jié)構(gòu)光學(xué)路線和薄膜微結(jié)構(gòu)防眩路線兩條設(shè)計(jì)路線。結(jié)構(gòu)光學(xué)路線具有成本優(yōu)勢(shì)，但仍需進(jìn)一步細(xì)化調(diào)光結(jié)構(gòu)，提高光品質(zhì)。薄膜微結(jié)構(gòu)路線的防眩效果更好，但價(jià)格高，制造和裝配工藝仍需進(jìn)一步完善。