介质填充技术路灯及其应用探讨

曾 平，张玲霞，王 钦

(中节能晶和科技有限公司，江西 南昌 330096)

引言

光线通过折射率不同的界面时，将有一部分光能量被界面反射而损失，此为菲涅尔反射损失[1]。LED芯片发出的光经过LED封装荧光粉层，由于LED封装荧光粉层的折射率大于空气，LED光源发出的光从光密介质入射至光疏介质，当入射角大于全反射角时即发生全反射，大于等于全反射角的光线均无法出射，转换成热能损耗。基于上述两方面的光损原因，在LED光源与路灯光学透镜之间填充折射率匹配介质，减少光线传输过程中的界面反射及因全反射而造成的光线损耗，最大程度地将LED芯片发出的光线取出，从而提高LED路灯的光效。LED路灯光源经过填充介质后，相对光学透镜来说其光学特性会发生改变，相应地，LED灯具的配光曲线和应用场景亦会改变。

1 技术现状

2 技术简介

对于平面出光的灯珠，如图1所示，光线传输过程中同样存在因菲涅尔反射造成的界面损耗，且由于LED芯片发出的光线中，部分光线(如光线2)由于其入射角大于临界角而全反射被损耗；在LED光源与光学透镜之间填充折射率匹配介质后，如图2所示，将原本充满空气的光源腔，用折射率匹配介质填充，使出射光通量从两方面进行了提升：一是光线从LED光源→折射率匹配介质→光学透镜，减少了光线传输介质中的不同折射率基差，降低了界面反射损失，使出射光通量有所提高；二是LED芯片发出的光线穿过荧光粉层时由于全反射而损耗的光线被取出，降低了LED光源的全反射损耗。填充介质不仅减少了二次光学界面损耗，而且减少了灯珠内部光线出射的损耗(一次光学损失)。介质填充后，相当于在LED平面光源的表面增加一个与光源腔尺寸相同的一次光学透镜，如图2阴影部分所示。当一次光学透镜的尺寸足够大的情况下，LED平面光源和内部的芯片可以近似等同于一个点(特别是对于LED芯片)，依据折射定律，位于几何圆心的光线垂直射向介质表面不会改变其传播方向，减少了平面光源自身内部全反射带来的光线损失。因此，采用平面出光面灯珠的路灯应用介质填充技术将获得更高的光输出比增幅，从而获得更高的灯具光效。

图1 平面出光灯珠介质填充前光线输出示意图Fig.1 Schematic diagram of light output about the plane light emitting LED without the medium filled

图2 平面灯珠介质填充后光线输出示意图Fig.2 Schematic diagram of light output about the plane light emitting LED with the medium filled

填充折射率匹配介质减小了一次光学损失，使更多的LED芯片发出的光可以出射，一次光学全反射损失的光线中蓝光占比较大，因此，填充介质相当于取出了更多的蓝光，从而改变了LED光源的相对光谱分布，出现了色漂移的现象，同一LED灯具介质填充前后的相对光谱分布对比如图3所示。

图3 介质填充前后相对光谱分布图Fig.3 Relative spectral distribution before and after medium filling

由图3可以看出，介质填充前后LED灯具发出的光线中，波长较短的光谱占比有所增加，因此，填充介质后的灯具色温会向冷色调偏移。根据晶和介质填充路灯试产数据，将填充前后的数据进行对比分析，当目标色温为4 000 K时，需要采用3 200 K的LED灯珠，此时光输出比约为104%～106%；当目标色温为3 000 K时，则需要采用2 500 K的LED灯珠，此时光输出比约为108%～110%。因此，目标色温值不同，所采用的灯珠色温不同，介质填充后的光输出比的增幅亦不同。因此，灯具是否采用介质填充技术需要考虑目标色温及相应的光输出比的增幅情况，本文抛砖引玉，只针对3 000 K与T 3 000 K(2 500 K灯珠点加介质后)，4 000 K与T 4 000 K(3 200 K灯珠点加介质后)灯珠应用在路灯上的光效值进行对比分析，如表1所示。

表1 介质填充前后不同色温平面出光的灯珠应用在路灯上的灯具光效Table 1 The luminous efficiency of plane-LED lamp with different CCT before and after medium filling

从表1可以看出，目标色温为3 000 K时，介质填充前后光效约增加19.31 lm/W，增加比约为12%；当目标色温为4 000 K时，介质填充前后光效约增加13.76 lm/W，增加比约为8%。

同样的，相对于二次光学透镜的入射面来说，填充后的入射光线不再是LED光源发出的光经空气直接入射了，而是经过填充介质形成的一次光学透镜后入射。一次光学透镜会改变原有LED光源发出的光线的光度分布，从而改变二次光学透镜入射面和出射面的光线分布，如图4所示，这些变化最终改变应用填充介质后LED灯具的配光曲线。

图4 介质填充前后LED光源的配光曲线图Fig.4 The radial distribution curve of the LED source before and after medium filling

介质填充技术会改变LED灯具原有的色温和配光曲线，改变程度由二次光学透镜的入射曲面与LED光源所形成的光源腔、LED光源本身的色温、填充介质折射率和制程工艺共同决定，这些因子影响的权重大小不在本文中做详细表述，但要实现介质填充前后的LED灯具均符合道路照明要求，那么在二次光学设计前必须依据应用需求考虑这些因子，做好光学预偏置(预先计算填充后的偏置量)设计。

3 应用对比分析

本文主要基于晶和采用平面灯珠的介质填充LED路灯的相关数据，进行介质填充前后的LED路灯应用结果分析。选取一个LED路灯，分别进行介质填充前后的光度分布测试，对比介质填充前后的光效及配光曲线。光度分布测试是依据灯具在全空间的光照强度的分布而得到该灯具的配光曲线，光照强度的测量方法主要有手持式照度计、积分球和分光光度计。手持式照度计主要用于日常生活中的光照强度的测量，方便携带、能耗低、测量精度有限；积分球法测量光照强度一般用于小尺寸的光源，具有较高的测量精度；分光光度计测量主要用于大尺寸光源，具有较高的精度，能实现全空间光照强度的测量[3]。

本文采用分光光度计测量方法进行LED路灯介质填充前后的测试。除介质填充情况不同外，其他条件(包括测试条件)均一致，测试结果统计如表2所示。

表2 介质填充前后光学数据对比表Table 2 Comparison of optical data about the street lamp before and after medium filling

经计算，未填充介质的LED路灯的路边光通量为7 155.783 lm，填充介质的LED路灯的路边光通量为7 840.332 lm；未填充介质的LED路灯的屋边光通量为4 367.217 lm，填充介质的LED路灯的屋边光通量为4 970.668 lm。

介质填充前后LED路灯的子午面配光曲线如图5所示。从介质填充前后LED路灯光度分布的测试结果来看，介质填充后总光通量及光效值均有所提升，且配光分布发生变化，主要体现在：V平面角度(50%平均光束角)增大18.5°，在H面，最大光强值降低，能量分布发生明显变化，因此，道路应用发生了变化，照度和亮度的应用效果亦会有所改变。

图5 介质填充前后的子午面配光曲线图Fig.5 The radial distribution curve of the meridional plane before and after medium filling

照度和亮度是评价道路照明质量最常用的两个光度量，1940年之前，人们主要用照度评价道路照明质量；1940年之后，人们已经认识到仅仅依靠照度无法反映实际的照明效果。照度评价体系反映的是客观物理测量值，照度值只和灯具本身的光度特性以及该点相对于灯具的几何位置有关，不能准确反映人眼接收到的实际的光；而亮度评价体系反映了驾驶者接收到的光，比照度评价体系更能表达出人对光的感觉[4]。比如，由于路面的干、湿会在很大程度上改变路面的光反射特性，所以在同样路灯照明下，雨天开车的视觉条件远不如晴天。

影响道路照明质量的主要因素有目标的对比度、紧邻的背景亮度、临近环境的适应水平和失能眩光等，但具体到道路照明设计中，归根结底都是照明光源、照明系统和道路系统的几何关系相互影响的结果[5]。本文采用道路照明模拟软件设置四车道和六车道两种道路场景，分别采用填充介质的LED路灯及未填充介质的LED路灯的配光曲线进行模拟，得出其平均照度、平均亮度等值。为了充分说明照度评价体系与亮度评价体系的介质前后变化情况，将上述LED路灯的测试结果进行光通量及功率归一化处理后采用道路照明模拟软件进行模拟对比，从照度体系及亮度体系评价介质填充前后路灯的道路照明效果。

3.1 功率归一化对比

功率归一化对比可以直观看出同一LED路灯在介质填充前后的道路照明效果，实测填充前后灯具功率均为68.7 W，将测试IES文件导入模拟软件，设定相同的距高比，模拟结果如表3所示。

表3 不同道路应用场景下介质填充前后路灯的模拟结果Table 3 Simulation results of street lamps before and after medium filling under different road application scenarios

从表3的相关数据可以看出，介质填充前后光效值对比提升约11%，应用道路为四车道时，介质填充前后照明结果的平均照度值未发生变化，照射在道路有效面积上的光通量未发生变化，结合图4LED路灯在介质填充前后的配光曲线的变化情况，说明由于光通量分布发生变化，导致填充介质所增加的光通量未照射在有效面积上，所以平均照度未发生变化。应用道路为六车道时，介质填充后的道路照明平均照度值有所提升，说明六车道可以承接因介质填充导致的光通量的增量。同时，无论道路路况是四车道还是六车道，介质填充后的平均亮度值均下降，亮度均匀度提升，眩光阈值增量降低。从归一化功率的对比结果可以看出，虽然介质填充能提升灯具光通量，但照明结果并未获得直观显著的提升，因此，单一的光效提升并不意味着可以提升节能率。

3.2 光通量归一化对比

光通量归一化对比将LED路灯光通量设定为不变量，根据平均照度的变化情况，可以更加直观地表达介质填充LED路灯的配光曲线变化及其所适用的道路照明场景。将LED路灯介质填充前后的测试数据光通量归一化处理为15 000 lm，设定相同的距高比，模拟结果如表4所示。

表4 不同道路应用场景下介质填充前后路灯的模拟结果Table 4 Simulation results of street lamps before and after medium filling under different road application scenarios

从表4的相关数据可以看出，介质填充前后的LED路灯的功率分别为90 W及81 W，数据上看填充后的灯具对比填充前的灯具节能效果高10%，但不同应用场景的模拟结果数值并非如此。应用道路为四车道时，介质填充后的道路照明效果较填充前的效果无论是平均照度值，还是平均亮度值均呈下降；应用道路为六车道时，介质填充后的道路照明效果较填充前平均照度值相等，平均亮度值下降。

综合3.1及3.2节的对比分析可以看出，应用在不同的道路上，介质填充前后LED路灯的道路照明效果的变化情况是不同的，这是因为介质填充导致LED路灯的配光曲线发生了变化，在垂直道路方向上的配光角度增大，这就会出现部分光线照射在路灯对面道路以外区域的现象，尤其是应用在较窄的道路上时，从而导致平均照度降低；当应用在较宽的道路上时，光通量被全部有效用于照射路面，在相同光通量前提下，平均照度未发生变化。对于平均亮度而言，无论应用在哪种等级的道路，采用介质填充后的LED路灯其平均亮度值均降低，这是因为填充介质导致LED路灯能量分配发生变化，在V平面的角度增大，照射范围变大，最大光强角处的光强值降低，入眼亮度感觉变弱。同时，不论应用在何种道路应用场景，照明均匀性和舒适性在介质填充后都具有很大的提升。

介质填充技术增加了灯具的光输出比，但是由于改变了光通量的分布情况，在实际应用中是否采用此技术需要结合路况和照明需求综合评估，总体而言，采用介质填充技术的LED路灯由于其垂直道路方向上的配光角度大，均匀度提升，照明舒适度提高，相较填充前更适用于照明质量需求高的道路，同时要想获得最佳的照明效果和节能效果，应该从道路路况和实际需求出发，一路一方案。

4 结论

通过对同一盏LED路灯介质填充前后的光度分布的测试数据分析，从灯具的利用系数(照度)及光的利用效率(亮度)一一进行了比对分析，得到如下结论：

1)从灯具光效及总光通量方面分析，介质填充不仅减少了界面光损，而且尽可能多地取出LED芯片发出的光线，从而灯具光输出比会出现大于100%的情况，灯具光效及总光通量均有比较大的提高，但介质填充后灯具的色温向冷色漂移，获得目标色温需要比目标色温低的光源来实现，因此，应根据漂移量、目标色温和性价比来综合评价是否选择应用介质填充技术。

2)从道路应用方面看，由于介质填充改变了原有LED路灯的光通量分配，因此，填充前后适合的道路路况发生了改变，填充后，灯具V平面发光角度变大，最大光强值降低，照明均匀度提升，眩光值降低，照度值依据不同的道路路况降低或增加，亮度值降低。

因此，介质填充技术可以做到填充前后均适应道路照明，但灯具介质填充前后的光学特性会发生变化，单纯的认定通过介质填充提高了灯具的光效就认为可以提升了节能效果是片面的。所以我们需要依据具体的道路路况和照明要求来选择合适的灯具，依据介质填充前后的配光变化情况来科学计算以确定其适用与否，从而获得最佳的节能效果和照明效果。