低眩光蝙蝠翼LED平板燈具設計與製造技術─使LED進入照明市場的利器

摘要：具有高光強度輸出與高均勻照度的平板燈將能夠提供一個高品質的光環境，在本研究中，我們開發了一種可以用滾對滾製程製作的低成本微結構光學膜片，此種光學膜片可使原本以Lambertian光場形發光的LED平板燈轉換成低眩光的蝙蝠翼光場形，而此平板燈的所有光學性能將以模擬結果來呈現在此篇論文中。

Abstract: A Flat panel with high light output intensity and uniform illuminance distribution could provide a high quality lighting environment. In this study, we developed a low cost micro-structure optical films which could be manufactured by roll-to-roll process to control the optical pattern from Lambertian to batwing without glare on LED flat panel. The optical properties of the flat panel were presented with simulation results in this paper.

關鍵詞：發光二極體、平板燈、照明、眩光、蝙蝠翼配光、微結構光學膜片、滾對滾

Keywords：Light-Emitting Diode (LED), Panel Luminaire, Lighting, Glare, Batwing Distribution, Microstructure Optical Film, Roll-to-Roll / R2R

前言
1.1 市場趨勢
相較於傳統燈源，白光LED具有很多的優點，如：高流明效率、低耗能、小體積、隨點即亮、無汞、高可靠度和長壽命等，所以LED被認為是下一世代光源的最佳候選人，而且它將逐漸地被使用在我們的日常生活當中，如：路燈、LCD螢幕的背光模組、車燈、室內與室外照明等[1–6]。因此，更亮、更小、更智慧化與更便宜就成了當今LED封裝模組與燈具的發展趨勢。

而根據Yole 2013年6月的LED前端製造趨勢的研究報告指出，LED在2012年與2020年的產品應用滲透率將出現轉折，原本LED在背光模組的應用將逐年地下降，而LED在照明方面的應用則將逐年地升高，如圖1所示[7]，過去LED元件之應用領域主要作為筆記型電腦、手機等可攜式產品的背光光源使用，惟目前此市場的成長已漸趨緩慢，而在居家照明、室外照明、工業照明、商業照明、建築照明及車燈等照明應用領域上卻擁有高成長之市場潛力。因此，未來LED照明燈具將逐漸替代現有的傳統光源市場，在可預見的未來LED照明燈具將正式進入一般室內外之照明應用主流市場中。

然而，相較於傳統省電燈具而言，市場因著LED燈具價格偏高、LED燈具認證標準尚未明確規範、LED燈具光型未適當地設計等問題，使得LED燈具所形成的光環境不佳，因此亟需適當的設計來突破目前LED燈具市場上供過於求的現象。

1.2 技術議題
目前所有的LED照明燈具都宣稱在未來能節省大量的能源[8]，而LED燈具的目標效率是希望達到200 lm/W，此值遠遠優於目前發光效率僅有60 lm/W的傳統螢光燈，雖然如此，但對LED照明應用而言，目前最重要的議題不再只是發光效率的問題，而是如何提升LED燈具的照明品質，這是由於LED直接輸出的光型通常會造成照度不均勻的圓斑，這點將使LED難以符合照明規範的要求，而且由於LED的點光源特性在照明應用來說將會產生極強烈的眩光問題，所以必須透過一次或二次光學設計的手段來減少從LED燈具所產生的不舒服眩光[9]，也因此LED這種發光體將逐漸地被要求需透過透鏡、反射鏡、擴散板或是其他的光學元件來使得光場形的能量被重新分佈，進而達到高輝度均勻性、高照度品質的光斑[10-14]。

目前有很多的方法都是在嘗試使LED點光源被勻化成面光源[15]，其中側入式的平板燈即是利用導光板的原理將擺在導光板側邊的LED光源勻化成面光源，此方法通常是藉由導光板的微結構或具擴散特性的噴墨來使光線逐步地被破壞全反射而從導光板出射，這種典型的側入式導光板平板燈的厚度約為8 mm~20 mm；而另一種直下式的LED平板燈則是利用擺在LED上方的擴散板來使LED陣列光源被勻化成面光源，通常這種典型的直下式平板燈的厚度約為20 mm~100 mm，而其中的擴散板一般會選用能產生高輝度均勻性的擴散板，但是這也將會使得LED燈具的配光曲線變為Lambertian的分佈，而這種光型也將會產生如圖2所示「燈源下方中央強、周圍逐步變弱」這種照度不均勻的現象。此外，如果將LED燈源組成陣列的話，更會產生所謂的斑馬紋現象，如圖3所示。

表1為3款市售LED平板燈具之檢測結果，從此表中可以看出此3款市售的平板燈具之配光曲線皆似Lambertian的分佈，因此組成陣列的照度分佈必會出現如斑馬紋的現象，其中雖然億光固態照明所生產的側入式平板燈的光束角較小、眩光指數UGR較低，但其所產生照度不均勻的現象必會更嚴重，從這3款市售平板燈的檢測結果研判這些市售的LED平板燈具其實是無法創造出照度均勻性佳的高質化光環境。