LED 照明中筒燈設計探討

旗峰光聚 HOLAN混光板

認識固態照明

長久以來在長久以來在固態照明設計都一直圍繞在光、電、熱三大主軸上，後來才發現電流與光效的關係後，

因為他們已明白了光、燈具、照明分別各有定義，懂得不能加大電流來提高亮度，所以熱已不再是主要問題，一個

好的固態照明它涵概了色溫、顯色性（CRI）、色偏移、光通量（lm）、初始照度、定點照度（lux）、光效/W、光

衰、配光曲線、區域照度，也不再是用意向形容圓的就稱為筒燈、方的就稱為面板燈。

筒燈的由來

筒燈與擴散板原本都扯不上一點關係，由於二戰歐洲夜間空襲頻繁，人們在白熾燈蓋上一個圓盤外面再罩上黑

布繼續夜晚的活動，當戰後沒有空襲威脅時取去黑布，人們感覺光太刺眼於是又把黑布蓋回去、由於戰後點燈的時

間多出好幾倍因此黑布常有著火情況發生，這時在戰後歐洲商人將它製作成一個燈具，外用金屬物做成圓筒直接掛

於屋脊，沒想到直沿用超過半個世紀，筒燈的由來就隨這個燈具到今日換成固態單指向光源，以前它一直都沒有混

光板，最多是加一片磨沙玻璃，現在固態照明不論如何設計價格都不斐，許多定義如：色溫、顯色性（CRI）、色偏

移、光通量（lm）、初始照度、定點照度（lux）、光效/W、光衰、配光曲線、區域照度…等等數據重新初始化並講

究很多。

配光曲線與燈具的定義

在歐美因避免炫光而採用間接照明、且越是高檔的場合越是講究至今乃為主流，在此之前人類所用的光源全是

從發光體中心朝四面八方以等距輻射出去，所以稱為“輻射光源”，在固態照明中所用的卻是單指向散射光源，它

有另外大於半球是不發光的，它既不屬近場光學也不屬遠場光學，在設計 LED 筒燈結構時，自然不能用傳統的輻射

光源來考慮光學腔體的設計，而要用更專業的單指向散射光源去思考，假設：在很瞭解固態散射光源時、在燈具光

學腔體設計中，用反射角可以很輕易將光朝中心集中，以彌補光源因配光曲線與防止炫光設計所多出的距離造成光

強損失，所以光學腔體高度越短光束角會越大，在所需照明範圍內的照度一定越小，從上述的觀察與試驗中得知筒

燈燈具的配光曲線是由工程設計師依需要而指定，筒燈燈具大部份配光曲線一般不會大於 100 度、也不會小於 35

度呈水滴形狀，美國能源部所訂定的能源之星中也清楚定義到，整燈光效中需有 75%的光落在 60O光束角內。

混光板與配光曲線的關係

在一個設計完美配光曲線的燈具，要防止因高效單指向散射光所造成的眩光還需配上一片專用的防眩光蓋板，

而配置該板時很多人忽略了二次散射光造成的弊病，當光線入射至該板時，分為反射及穿透兩個部份的散射。光線

入射至尺寸比波長更小的微粒時，散射光的強度與波長的四次方成反比【瑞利散射理論】。散射環境符合【瑞利散射

理論】的條件時，波長較短的光將會有較明顯的散射，【波長較短的籃光散射角度較大，便橫向朝著整個大氣散射所

以整個天空呈現籃色】，而波長較長的光只有輕微的散射。當粒徑接近光的波長，則入射光的散射行為與空氣分子有

著顯著的不同。（德國物理學家 Gustav Mie 對此現象進行了理論方面的研究，因而此理論被稱為【米氏散射理論】）

此時散射光的能量會集中在某特定方向直接進行反射或穿透，此稱為【鏡面光束(Specular Beam)】。換句話說，

穿透率較低的擴散板中，具有較強的散射能力時，將不會有明顯的鏡面光束，相應產生的散射光分佈也許是更加寬

廣的高斯分佈(Gaussian Distribution)，或是近似【郎勃漫反射表面】 (Lambertian Surface)之 COS 函數

分佈。

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使用這種原理的混光板，透光率是目前在全球行業中是最高的，也因可以減少【鏡面光束】發生，更不會改變

筒燈的配光曲線，可以讓結構工程師更容易設計 LED 筒燈的結構。

散射強度分佈實驗架構

燈具改變配光曲線對光效的變化

改變配光曲線的方法很多，如果要配光曲線及光效同時符合要求難度就很大，它本來就是矛盾的對稱，最常見

的錯誤是直接加裝透鏡甚至使用菲鏡或者直接把筒的深度加深，看起來角度是解決了，卻忽略了整燈光效，因此市

場上同時處理好這兩個問題的筒燈就變成少數。

光學腔體將角度過大的光在離發光體最近的地方作第一次反射

欲改變配光曲線最有效的方法就是善用反射定律，在離光強越強的地方反射效果越明顯，因此光學腔將會變成

兩段式的曲線，。

崁燈配光曲線 筒燈配光曲線

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反射定律對燈具光效的變化

零度角的透光最高，透光率隨角度成反比 整燈光效率隨 PCB 板的反射係數提高而增加

在反射定律中我們還有一個能幫助增加均勻度的地方，利用反射定律、造成反射光作第二次反射設計，將 PCB

上防焊油墨的反射率提高，最好是利用【郎勃漫反射】的效率最高，高效率的反射層可以增加出光率，當光的強度

達到人眼裸視解析度以上時也可以視為提高均勻度的一種手段，所以我們歸納成下列幾點供作參考：

從中心點算起在任何一條輻射軸線上不要有兩顆 LED 避免光互相干涉

結構與光效的變化

光通量不變時配光曲線越小照度越高。

光在 0°角越多垂直面所接受的光通量越大、照度就越高。

光學腔體反射係數越高，光源可以離混光板越近光效也越高。

混光板只能對配光曲線加大一度或不變、不可能縮小配光曲線。

波長越短折射率越大，波長是由大到小：紅 橙 黃 綠 藍 靛 紫、頻率相反由小到大。

藍光易被散射，所以 LED 照明用混光板需加入微量籃光稀土螢光粉以補因散射失去的藍光。

紅光易衍射穿過障礙物所以筒燈需用衍射型混光板盡量讓 LED 微弱的紅光通過可使顯色性能不減。

光源強度越高或光源間距越疏，混光距離越大或離混光板越遠，反之離混光板距離越近。

光強度過高時，光源間距越小與混光板的距離越近，因光強變大，裸視分辮率降低混光效果變好。

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光效的測量

一般常用測量光的儀器有照度計、亮度儀、光強分佈計、積分球…等等，

其中以積分球所測值公差最大，以相同光源在不同直徑的積分球測量，球徑越小或離探頭越近測到的值越高，

因此不同的擺放位置檢測後所得到的數值也隨之不同，一般在使用設備時沒注意到這些設備對於 LED 有新的定義，

而採用輻射光源的定義，如下圖所示就是其中之一的定義變化，此變化是由美國制定能源之星的規範之一。

擴散光與混光的區別

擴散光是指由光源發射出的光線，通過媒質或介面的折射或反射向四方散亂射出的光線。如太陽光通過大

氣層中的水滴、冰、煙塵等微粒後，在空間中所形成的現象稱為【擴散光】，也就是說材料中只要加入其它介

質就會有擴散作用，它可再分阻擋擴散（例如：白色粉塵、一般擴散板使用這種方式）及折射擴散（例如：水

分子、冰雪，少數擴散板使用這種方式），因加入的介質無法達到成像光學的要求，故光通過媒質或介面時因

折射或反射向四方散亂射出，是屬於干涉光學範疇

混光是指不同的光源所發出的光，通過整齊排列的介質後，還是沿著原來的路徑前進，由反方向用目測所形成

多影像無法分辨的擴散現象，是屬於成像光學範疇

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總 結

在固態民用照明中 LED 筒燈算是比較難設計的一環，它涉及光學的種類比較多也比較複雜，很多竅門不是很容

易仿照，可用牽一髮而動全身來形容，因為歐美各國所訂定的能源之星中已清楚定義到色溫、顯色性（CRI）、色偏

移、光通量（lm）、初始照度、定點照度（lux）、光效/W、光衰、配光曲線、區域照度，中間還綑綁著很多不為人

知的專利，從光源上在前三項中一般亞洲的品牌很難有好的表現，所以這個燈將不會是很低價的一個燈具，因此在

結構設計及材料選擇自然不能太低檔。

結構設計中光學艙部份它會影響的只有配光曲線、區域照度，它牽扯到反射系數及反射角，只要反射角度是正

確的，其配光曲線一定是符合要求，要增加區域照度只需靠提高反射系數及蓋住光源那片板的透光率，如果選錯材

料時，你的光束角便徒勞無功，也直接影響配光曲線、區域照度，所以經常有發生崁燈、筒燈扯不清的主因。

筒燈與崁燈外形差異

使用混光板後配光曲線看來無明顯變化

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