直下式LED燈具的光學(xué)設(shè)計(jì)與研究

錢洋波

常州檢驗(yàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證研究院 江蘇常州 213164

LED是一種綠色光源，也是第四代照明光源，它是利用一種半導(dǎo)體固體作為發(fā)光材料，它是可以直接把電能轉(zhuǎn)化成光能的元器件，并且具有節(jié)能、環(huán)保、體積小、壽命長等優(yōu)勢，廣泛使用在各種指示燈、裝飾燈、普通照明以及城市照明等方面。根據(jù)LED的使用功能的不同，可以分為信號燈、車用燈、液晶顯示器等，根據(jù)投光方式的不同，可以分為側(cè)入式和直下式兩類[1]。側(cè)入式的LED燈具外形超薄，安裝方便等特點(diǎn)，但容易出現(xiàn)發(fā)黑發(fā)黃的情況，而直下式LED燈具一般外形較厚，安裝需要一定的空間，但其LED燈具的光能利用率和光品質(zhì)上都比較好，本文舉例說明幾款LED燈具。

1 LED面板燈

和傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比較，LED面板燈是一款較高檔的室內(nèi)照明燈具，整個燈具光照勻稱性好，光線柔和，有一定的緩解眼部疲勞等特點(diǎn)，有較好的設(shè)計(jì)空間，因此，LED燈具不僅擁有良好的照明效果，還可以給人帶來美的體驗(yàn)。這類嵌入式LED面板燈的使用非常廣泛，它可以嵌入在墻壁中，還采用懸掛的方式安裝在天花板、安裝體的下方，所以這類產(chǎn)品在室內(nèi)照明燈具市場上具有強(qiáng)有力的發(fā)展空間。

雖然LED面板燈使用非常廣泛，但仍有很大的缺點(diǎn)。例如厚度較大不利于在空間狹小的地方進(jìn)行安裝，以及照度分布不均勻。想要減少直下式LED面板燈的厚度，就要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。而想要提高LED的照度，就要設(shè)計(jì)更大角度的透鏡，通過實(shí)驗(yàn)我們可以發(fā)現(xiàn)，LED陣列間距為82mm距離目標(biāo)面25mm時，照度均勻性最好。所以我們在設(shè)計(jì)時要選擇適合的光學(xué)透鏡，同時還要注意成本，因?yàn)檩^大角度的透鏡成本較高，同時還要對直下式面板燈的內(nèi)部排列布局進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到厚度減薄的目的。

2 LED廣告燈箱

LED廣告燈箱一般以不斷的閃動結(jié)合停留時間并集合霓虹燈的優(yōu)勢在白天夜晚都可以不斷的閃動，動靜結(jié)合，有效的給人帶來視覺上的沖擊，和傳統(tǒng)的變換燈箱和滾動燈箱的廣告效果大相徑庭。LED廣告燈箱主要在商場、公交車站、收費(fèi)站、停車場等各個地方，都得到了廣泛的應(yīng)用且種類繁多。另外，LED廣告燈箱在使用壽命、安裝、節(jié)能等方面都有較好的生產(chǎn)趨勢。直下式LED燈箱主要有兩種生產(chǎn)方式，一種是使用大量的低功率LED芯片實(shí)現(xiàn)陣列發(fā)光，而另一種方式則是采用大功率的LED加裝二次透鏡。但第二種方法存在很大的裝配問題，很容易會造成光能的浪費(fèi)，再加上當(dāng)前使用的透鏡一般都是圓形的，浪費(fèi)了大量邊緣的LED光能量[2]。

如果要解決光能浪費(fèi)的問題，就要對透鏡進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，改進(jìn)透鏡能夠增加對光源的利用率，從而大大增加發(fā)光效率。利用網(wǎng)格劃分發(fā)法可以篩選出有較高發(fā)光效率的透鏡，而一次透鏡相較于二次透鏡有較高的發(fā)光效率，因此在廣告燈箱中選擇一次透鏡可以取得較高的發(fā)光效率。所以在進(jìn)行直下式LED廣告箱的改進(jìn)設(shè)計(jì)時，要選擇合適的透鏡以求最大的發(fā)光效率，同時還要控制生產(chǎn)成本，避免因?yàn)槌杀咎邔?dǎo)致直下式LED廣告箱的價格大幅度上漲。

3 LED黃疸光療燈

LED燈具的應(yīng)用領(lǐng)域不斷得到延伸，在醫(yī)療領(lǐng)域上的光照治療也得到了特殊的照明應(yīng)用，就新生兒黃疸來說，LED黃疸光療燈的出現(xiàn)成為治療新生兒黃疸的首選光源。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上，新生兒黃疽病一般采用光照療法，而LED黃疸光療燈的治療比較好、方法簡單，具有安全性以及副作用小等優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)學(xué)臨床上得到了廣泛的推廣使用，其中藍(lán)光療法的使用范圍最廣。

傳統(tǒng)的新生兒黃疽光照療法一般使用白熾燈和熒光燈等光照，但這些光照都具有使用壽命短、照明光譜不穩(wěn)定和頻閃等問題，更是含有對人體有危害的紅外光線和紫外光線[3]。伴隨著LED照明技術(shù)的不斷研究深入，通過對LED光譜構(gòu)造技術(shù)的研究，根據(jù)LED光照峰值波長短的不同及數(shù)量的差異，所采用4種單色LED燈，研制出一種專門用于醫(yī)治新生兒黃疽的直下式LED黃疽燈，它的照明光譜與膽紅素吸收光譜一致?？墒荓ED黃疽光療燈出現(xiàn)卻引出一個全新的問題，由于不同的單色LED燈進(jìn)行匹配，在同一個面板上進(jìn)行排列時，如果新生兒身上接收到的照明光譜分布和光照程度不同，就會大大降低LED黃疽光療燈對黃疸病的治療效果。

想要提高這類LED黃疸燈的治療效果，就要改進(jìn)基板上四種LED燈的排布方式，從而實(shí)現(xiàn)LED燈的照度平衡，達(dá)到照度均勻，這樣就能夠使燈在各個接收面上的光譜分布均勻，這樣的設(shè)計(jì)能夠在一定程度上提高黃疸燈的治療效果。

4 結(jié)語

隨著LED技術(shù)的不斷提高，使用范圍越來越大從基礎(chǔ)照明顯示，逐步邁向醫(yī)療器械、汽車等領(lǐng)域的全方位發(fā)展，LED燈具的質(zhì)量得到提高，性能效果逐漸提升。就好比LED面板燈、LED廣告燈箱和LED黃疽光療燈等，越來越多的光照領(lǐng)域都出現(xiàn)LED的身影，也越來越多的廣告燈箱也是出現(xiàn)LED的身影。這三款LED燈具，根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)原理為基礎(chǔ)，對LED的基板上的多種單色LED的進(jìn)行排列，使得設(shè)計(jì)得到更好的符合大眾審美，可以在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上更加有效地改善照明質(zhì)量和光療效果，而直下式的LED燈具在照明的勻稱性上和能量利用率上還是有很大的設(shè)計(jì)研究空間。綜上所述，對直下式LED的應(yīng)用形式進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和應(yīng)用途徑上對改進(jìn)基板上各種單色的LED排列方式，可以更好的進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，同時，有效地改善照明問題和生產(chǎn)成本，促使LED燈具朝著高效、綠色環(huán)保和健康的發(fā)展方向。