點(diǎn)陣光源的燈效探討

肖罡

（國(guó)光電器股份有限公司，廣東廣州，510000）

1 LED燈珠工作原理及輻射模型

1.1 LED燈珠發(fā)光原理

編輯PN結(jié)的端電壓構(gòu)成一定勢(shì)壘，當(dāng)加正向偏置電壓時(shí)勢(shì)壘下降，P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，所以會(huì)出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成對(duì)P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的形式釋放出去。

圖1 LED燈珠發(fā)光原理

1.2 LED燈珠電流與強(qiáng)度的關(guān)系

如圖2所示，LED燈珠通過(guò)正向電流越大，電子遷移率越大，LED燈珠發(fā)光強(qiáng)度越高。

圖2 正向電流與相對(duì)強(qiáng)度

1.3 LED燈珠輻射模型

圖3 不同朗伯指數(shù)條件下光源定向性關(guān)系圖

對(duì)于LED燈的輻射模型，一般采用朗伯模型這一經(jīng)典模型。其發(fā)光強(qiáng)度為：

其中：I0為L(zhǎng)ED的中心發(fā)射強(qiáng)度，θ為輻射角，m為朗伯輻射級(jí)數(shù)。m可由下式進(jìn)行計(jì)算得到：

其中：D為空間中某點(diǎn)到LED光源的距離，Φ為光線與水平面法線的夾角。當(dāng)房間存在多個(gè)LED燈時(shí)，在不考慮反射情況下，由于各個(gè)LED光源是非相干光源，各個(gè)LED燈在某點(diǎn)的光照度可以相互疊加。因而，在多燈情況下，空間中某點(diǎn)的光照度可以表示為：

其中：N為L(zhǎng)ED燈的個(gè)數(shù)。

2 LED燈珠光學(xué)特性分析

2.1 光通量

一般用光功率來(lái)表示光源在單位時(shí)間內(nèi)光輸出的輻射能量。表示LED光源在某個(gè)波長(zhǎng)發(fā)射的輻射通量，稱為單色輻射通量，單位為（W）。在所有的光譜段的光輻射，輻射通量的概念都適用。不同的波長(zhǎng)人眼對(duì)其敏感度不同，人眼可見光波長(zhǎng)在380nm到780nm范圍內(nèi)。當(dāng)波長(zhǎng)屬于不可見光范圍時(shí)V（λ）=0。因此，只將光源發(fā)出的輻射量并可以被人眼所察覺的那部分能量稱為光通量，即明視覺下，光通量表示為:

2.2 LED發(fā)光強(qiáng)度及其角分布

發(fā)光強(qiáng)度是表征發(fā)光器件發(fā)光能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。大量LED封裝形狀都是圓柱或球型封裝，在凸透鏡的作用下，都有很強(qiáng)的指向性。位于法向方向的光強(qiáng)最大，并與水平面交角為90度。當(dāng)偏離正法向方向0度時(shí)，光強(qiáng)也會(huì)發(fā)生變化。發(fā)光強(qiáng)度定義為一個(gè)點(diǎn)光源在指定方向上包含的光通量dψ與立體角元dω之比，表示為：

實(shí)際燈珠的有效發(fā)射角設(shè)定為120度，其發(fā)光的空間分布如圖4所示：

圖4 發(fā)射角與空間分布關(guān)系圖

2.3 光亮度

光亮度是LED發(fā)光性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，光源在某一方向的亮度L是光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度dI，與該微小面元在垂直給定方向的平面上的投影面積之比：

亮度的單位是坎德拉每平方米（cd/m2）。亮度不僅可以用來(lái)描述一個(gè)發(fā)光面，而且可以用來(lái)描述光路中的任何一個(gè)截面，還可以用亮度來(lái)描述一束光，光束的亮度等于這個(gè)光束所包含的光通量除以這束光的橫截面積和這束光的立體角。

3 光強(qiáng)空間分布均勻LED 燈珠的新型結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)一種光強(qiáng)空間分布均勻的模型，其包含：平面布局的已貼片LED燈珠的多根條形燈板，每顆LED燈珠相互串聯(lián)連接；上部安置平面的塑膠擴(kuò)散板。

圖5 燈效模型構(gòu)造圖

3.1 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）LED布局的密度

更高的LED燈布局密度，可以產(chǎn)生更好的燈光效果，其燈距越小，暗區(qū)更小，外觀燈效更均勻。

圖6 燈效模型LED排布圖

（2）LED擴(kuò)散板的類型

擴(kuò)散板一般選用PMMA、PC、光學(xué)玻璃、硅膠等材料，且在透明原料中加入適量的散光粉（作為塑膠添加劑添加，用于光擴(kuò)散劑時(shí)，添加量為原料用量的0.4～1.0%），利用多面體散光粉將光線在塑膠內(nèi)多次折射，來(lái)達(dá)到燈光均勻的效果，經(jīng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)所知，參入散光粉的擴(kuò)散板，板厚越厚燈光越均勻，但散光板越厚，光通量將因光線多次折射后損失而越低。

（3）LED燈到擴(kuò)散板的距離

為創(chuàng)建均勻的燈光效果，我們先設(shè)定LED到LED的最小距離應(yīng)為13.5mm（～74LED/m）類型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)我們的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，如果塑料擴(kuò)散器離LED太近，就會(huì)出現(xiàn)亮點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置：

圖7 不同散射凈空的燈效圖（白色擴(kuò)散板）

LED間距為13.5mm（74LED/m），擴(kuò)散器為3mm厚的白色亞克力板。通過(guò)在1.5毫米、4.5毫米和7.5毫米處增加擴(kuò)散板到LED的照射距離，嘗試擴(kuò)散燈效。照射距離為7.5mm時(shí)，擴(kuò)散效果令人滿意。

圖8 不同散射凈空的燈效圖（黑色擴(kuò)散板）

最后，在乳白色半透明亞克力板上覆蓋一層淺黑色半透明3mm亞克力板，效果變差了。將LED照射距離調(diào)整到10.5mm，擴(kuò)散效果令人滿意，但由于淺黑色材料的加入，減少了通光亮，致使整體光亮度有明顯下降。

為減少LED的使用，降低功耗電流及成本，我們嘗試調(diào)整LED燈距至29mm（～34LED/m）類型，3mm厚乳白色亞克力板的擴(kuò)散板到LED的照射距離調(diào)整至13.5mm時(shí)，擴(kuò)散效果才令人滿意，但燈光強(qiáng)度也有明顯下降。從而也進(jìn)一步驗(yàn)證了光照強(qiáng)度與照射距離成反比的理論依據(jù)。

圖9 不同照射距離的燈效曲線圖

將此實(shí)驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入至CAD中再次模擬驗(yàn)證（LED散射角a=120°，LED高度約1.4mm時(shí)）：

白色擴(kuò)散板版本，當(dāng)燈距設(shè)定為13.5 mm，PCB燈板至擴(kuò)散板底部（不計(jì)壁厚）凈空照射距離H1≥8.9mm，兩相鄰LED燈重復(fù)照射區(qū)域A1≮12.48mm；

黑色擴(kuò)散板版本，當(dāng)燈距設(shè)定為13.5 mm，PCB燈板至擴(kuò)散板底部（不計(jì)壁厚）凈空照射距離H1≥11.9mm，兩相鄰LED燈重復(fù)照射區(qū)域A2≮22.87mm；

圖10 角度分布關(guān)聯(lián)圖

其簡(jiǎn)約公式歸納為：

式中，D1為燈距，α為L(zhǎng)ED散射角

進(jìn)一步分析，當(dāng)D1≤H1*Tan(α/2)時(shí)，重復(fù)照射區(qū)域?qū)⒏鼮榇?，燈效將?huì)更均勻。由于我們已知燈珠的散射角為120°，所以上式可以簡(jiǎn)化為：

我們對(duì)某品牌燈光系列音箱產(chǎn)品進(jìn)行拆機(jī)分析比對(duì)如表1。

表1 某品牌燈光系列音箱產(chǎn)品拆機(jī)分析比對(duì)

4 結(jié)論

太薄的擴(kuò)散板會(huì)產(chǎn)生亮點(diǎn)；白色擴(kuò)散板在漫射光線方面優(yōu)于深色設(shè)計(jì)；為了獲得良好的擴(kuò)散效果，擴(kuò)散板的距離應(yīng)與LED保持足夠的距離。對(duì)于白色版本，照射距離為7.5mm，黑色版本為10.5mm；作為延伸，將擴(kuò)散板受光面做出凹陷的曲面，讓曲面上的“受光值”無(wú)限接近，那燈點(diǎn)或暗區(qū)將是不可見的；作為延伸，臨近燈布局采用正菱形等距排布，可改善整體燈效；增加反射杯與多重光學(xué)透鏡還要結(jié)合球面出光表面，提高取光效率；調(diào)整燈光驅(qū)動(dòng)程序，利用多種變幻的亮度、頻率和顏色，彌補(bǔ)暗影缺陷。