浅谈灯具的防眩光设计

Page1浅谈灯具的防眩光设计为了得到舒适，高质量的照明环境，通过改进灯具来抑制眩光是非常有必要的。近年来，出口欧盟的室内灯具都有防眩光的标准，即UGR19,甚至更低。其实早在1995年，CIE（国际照明委员会）已经提出了灯具防眩光的概念，并把UGR（UnifiedGlareRating）作为评价室内照明环境不舒适眩光的指标。随着LED芯片技术的发展，LED灯具越来越亮，不舒适眩光也越来越严重。所以在2014年，欧盟将UGR限值做为灯具的一个强制标准，而不是像以前一样只是作为参考。下列表格中列举了CIE规定的几类场所的UGR限值：用途UGR限值工厂，发电站，监控室16办公场所，设计制图室16机场，控制塔16日常办公场所19会议室19学校，教室19医院，病房19便利店，销售区域22餐厅，宾馆，用餐区，宴会厅22通常所说的“UGR19”，只是满足了例如学校，办公场所的最基本眩光要求。其实在实际使用时，客户还是会倾向于UGR更小的灯具。如果看了下面UGR值与不舒适眩光程度的对应关系表，大家就会有所了解：UGR=19，其实是代表不舒服。工作和学习场所的UGR值越小越好。UGR值不舒适眩光程度28严重刺眼25刺眼22略感晃眼19不舒服16略感不舒服13有轻微感觉很多人都对UGR存在一个误解，认为它同功率，光效一样，是灯具本身的参数。其实，UGR的含义是照明环境对于人眼的不舒适度，它是一个通过与产生眩光有关的各种参数计算得到的表征整个照明空间的不舒适眩光程度的值。简单来讲，UGR值不仅与灯具有关，它与房间大小，房间的反射率，以及观察者的观察方向都有关系。如果初次看到UGR的计算结果表格（如下图），大家都会疑惑，究竟哪个值才代表UGR。实际上，表格中的每一个值，都是灯具在相应的房间环境中通过UGR计算模型得到的值。表格的最左侧一栏，表明了房间的长（x）和宽（y），它们都以房间的高度（H）为单位。在表格的顶部一栏，表明了房间的反射率，比如第一列数据中屋顶（celling）的反射率70%，墙壁（walls）的反射率50%，地面（workingplane）的反射率20%。表格中的数据被平分成左右两栏，左边数据（ViewedCrosswise）代表观察方向与灯具轴向垂直，右边数据（ViewedEndwise）代表观察方向与灯具平行。Page2灯具的UGR并不是单一值，它和灯具的使用环境有关。以目前LED出口灯具最常见的600x600mm面板灯为例，它的使用场所一般为办公场所和学校，房间大小通常最大为4H8H，房间的反射率通常为第一列，即屋顶70%，墙壁50%和地面20%。所以对于这样的大尺寸面板灯，UGR的适用值一般为4H8H的第一列。大家也会注意到，房间的反射率越低，UGR值越高。这也很好理解，房间反射率越低，灯具光与房间背景光的反差越大，引起的眩光不舒适度也会提高。但这些低反射率的房间环境不适合安装面板灯。比如UGR表格最后一列，屋顶和墙壁的反射率只有30%，一般为酒吧或娱乐场所，通常会使用射灯或筒灯。有些客户会要求整表UGR19，这说明客户不确定灯具的最终使用环境，那么就要灯具满足在任何环境的UGR限值。这也是非常严苛的要求。有些UGR表格采用了旧的计算方式，所以需要在表格中的所有UGR数据上手工加上修正值。如上表所示：”4049lmtotallampluminousfluscorrect(8log(f/f0)=4.9)“,表示需要加修正值4.9。如果表中下方的注释写有“CIEPub.117Corrected”，则表示数据是已经修正过的，不需再手工加修正值。还是以面板灯为例，很多结构工程师都有这样的体会，UGR值（4H8H第一列，以下阐述的UGR值都为这个位置为例）如果原来就很高的话，比如24以上，通过改变灯具的设计，UGR值可以很容易降低。但是在19附近或以下，UGR值则非常难进一步降低。其实，UGR值计算模型是一个对数函数，它和灯具的眩光量成对数反比关系。比如，如果UGR值降低1，则表明灯具的整体眩光量减弱为原来的几分之一。注意，所谓眩光，即灯具中所有大于65度的高角度光。Page3在LED普及之前，传统的办公室防眩光灯具是格栅灯，它将荧光灯管隐藏到金属反射罩内部，遮蔽角达到30度以上，外侧采用铝制格栅进一步遮蔽轴向眩光。这种灯具可以很容易做到UGR13。但对于LED面板灯，包括侧发光和直下式，其灯具结构本事是不适合做防眩光处理的，因为发光面为最外侧平面，高角度眩光很难被抑制，只能通过防眩光板或膜将高角度的光收束到中间工作面。目前业内常见的面板灯防眩光产品主要有大陆和台湾生产的挤出成型棱晶板，德国BWF和Yungbecker的热压成型棱晶板，美国BrightViewTechnologies的微结构防眩光膜以及贴合板。其中挤出成型棱晶板和热压成型棱晶板的结构都为1~4mm直径的金字塔形，六边锥形或圆锥形，通过这种结构将高角度光偏折到中间。挤出成型棱晶板是由带有负棱晶结构的钢棍模具在透明塑料板挤出生产时，直接在表面压出棱晶形状。这种生产方式效率高，成本很低。但由于塑料热膨胀和吸水的影响，在高温成型时其结构的精度和一致性很难保证。另外钢棍模具在高温下连续棍压容易磨损，需要定期修复模具。由于钢棍模具工作温度的限制，这种棱晶板的基材通常为成型温度略低的PS和PMMA，而对于成型温度高的PC就有很大困难。虽然部分公司声称做成了PC棱晶板的产品，但良率和品质较低，并且透明PC在成型时的结晶问题无法很好解决。热压成型的棱晶板主要以德国BWF和Yungbecker的产品为代表。在热压生产前做出大尺寸的带有负棱晶结构的平面钢模（比如600mmx1200mm），然后将透明PMMA板材加热，由平面钢模热压成型。这种工艺相对于上述的挤出成型棱晶板有以下优点：1．热压成型棱晶板的光效较高。它的板材采用光学级透明PMMA板材，所以透过率更好。而挤出成型棱晶板内易产生杂质，光效较低。2.热压成型棱晶板的结构精度更高。因为热压成型的温度相对于挤出成型的温度较低，另外热压时间较长，在热压时会有几个时间区间分别控制温度和压力，以达到最大的结构精度。相比而言，挤出成型棱晶板的对某一位置的棱晶棍压成型时间只有短短几秒，很难保证精度。当然，热压成型棱晶板最大的缺点就是成本高。首先，大尺寸高精度钢模的开模成本高，另外大尺寸热压成型设备的投资成本也高，单片棱晶板的热压生产时间也较长。美国BrightViewTechnologies的微结构防眩光膜完全不同于以上两种技术，它是通过UV转印的工艺将模具上的微结构“复印”在光学级透明PET膜上，这种微结构的材料为光学级透明UV胶，微结构的尺寸为20~50um。UV转印为低温工艺，不会对模具产生磨损，微结构的精度和保真度极高。另外UV转印为连续生产，效率很高。BrightView防眩光膜常用PET基材的厚度有两种：7mil(0.175mm)和3mil(0.075mm)，加上微结构的总厚度有0.21mm和0.1mm。BrightView的7milPET基材防眩光膜可以直接应用于面板灯，通常采用透明板固定。另外一种较薄的3milPET基材的防眩光膜主要用于贴合，即通过UV胶贴合工艺与透明的PS，PMMA或PC基板贴合，这样就极大的提高了产品的应用范围。比如，7milPET防眩光膜本身的阻燃等级为V-TM2（TM为ThinFilm，代表薄膜的阻燃等级，相当于V2），如果客户有V0级别的阻燃等级要求，就可以与V0级别的PC板贴合。如果有更高的阻燃或灼热丝温度要求，甚至可以和玻璃贴合。另外贴合板的厚度非常灵活，可以根据客户要求定制。以下表格是3种防眩光产品的横向对比：挤出成型棱晶板热压成型棱晶板BrightView微结构防眩光膜结构精度低高高防眩光效果较差好好光效低较高高生产成本低高较低基材种类PS，PMMAPMMAPET，贴合板（PS，PMMA，PC）Page4BrightView目前已开发的防眩光膜有4种图案，分别为磨砂面（G-GC90），超小六边形（G-GPHS），小六边形（G-GPHM）,以及大六边形（G-GPHX）。如下图所示。防眩光膜的微结构本身是由透明材料制成，图案是由于微结构的朝向不同所呈现的视觉效果。当把防眩光膜平放在面光源上，然后从大角度观察（比如大于65度），这时图案较为明显。有眩光膜放置的区域会明显变暗，说明眩光被有效抑制。下图是磨砂面（G-GC90）和小六边形（G-GPHM）防眩光膜在面板灯上从不同角度观察的视觉效果。与棱晶板不同，微结构防眩光膜在灯具点亮时看起来较为柔和，因为微结构人眼是不可见的，而棱晶板的大颗粒结构在灯具点亮时会比较刺眼。BrightView防眩光膜的工作原理是通过薄膜表面的微结构将高角度的光抑制，并集中到中心。下图为面板灯加防眩光膜前后的光分布对比。面板灯本身的光分布为朗伯分布，如蓝线所示。如果加上BrightView防眩光膜，则光分布如红线所示。这时眩光（65度的高角度光）被抑制，中心有效光被增强。BrightView防眩光膜的防眩光效果可以用65度光强/0度光强来定量描述，这个比值越小Page5说明眩光抑制效果越好。下面表格列举了BrightView的4种防眩光膜的光学参数，可以看出，六边形图案越大，防眩光效果越好。但总体而言，BrightView的4中防眩光膜的光学特性差异不大，对于图案的选择主要以客户对于灯具外观的偏好为主。对于侧发光的面板灯，BrightView防眩光膜或贴合板的安装方式有以下6种，如下图所示。注意，无论采用哪种安装方式，防眩光膜或贴合板的微结构面都要朝外，否则就没有防眩光效果。第1种安装方式最为常见，既导光板+扩散膜或扩散板+7mil防眩光膜，最外侧由透明板做支撑。透明板的材料通常为PS，PMMA或PC。如果外侧的透明板有反光或安装时指纹残留问题，可以采用带细磨砂面的透明板，但雾度不能太大，否则会影响UGR控制效果。第2种安装方式适用于小面积的面板灯，或侧发光筒灯。因为7mil防眩光本身有一定的挺度，在小面板灯使用时，比如300mmx300mm,可以不用透明板支撑。第3种安装方式采用了防眩光的贴合板，这样灯具装配比较方便，也能避免防眩光膜和透明板之间由于安装车间洁净度不高而产生的灰尘问题。第4，5，6种安装方式都省略了扩散膜或扩散板，这样能提高光效，但需要要采用BrightView的带六边形图案的防眩光膜或贴合板，以遮蔽导光板的亮点。另外，如果采用丝印或激光打点的导光板，则会和防眩光膜产生光面-光面接触，在按压时就会有“水印”现象。所以最好采用免丝印的带棱型结构的导光板，避免光面-光面接触。对于直下式面板灯，BrightView防眩光膜或贴合板的安装方式有以下3种：Page6以上3种安装方式都需要扩散板，因为直下式面板灯的LED亮点仅靠防眩光膜是隐藏不了的，一定要通过扩散板隐藏。对于灯具的设计工程师来说，最关心的问题是用了防眩光膜之后，灯具的UGR测试结果能否满足客户的要求。一般情况下，4000lm光通量的600x600mm侧发光面板灯，采用BrightView的G-GPHM或G-GPHX防眩光膜在第1种安装方式下，可以做到UGR整表19。其中4H8H的第一列可以做到UGR17。这时面板灯的光效可以做到100lm/W以上。如果降功率使用LED芯片，其整灯光效最高可以做到140lm/W。对于同样尺寸更高光通量的面板灯，比如4600lm，如果要做到整表UGR19，可以将普通的PET扩散膜或PS扩散板替换为BrightView的微结构扩散膜C-HE80，然后再加防眩光膜。当然这样做会增加成本。C-HE80是一款高光效，高亮点隐藏的微结构扩散膜，主要用于直下式灯具。它有一个特点，在微结构面朝外使用时可以收束出光角，比如120度的朗伯光源如果经过C-HE80可以被收束为82度。这样配合防眩光膜使用进一步降低UGR值。下面图示的光分布曲线显示了面板灯中C-HE80+防眩光膜对于中心光的增益和眩光的抑制效果。一般来说，采用同样的BrightView防眩光膜，如