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1、LED研究照明灯具中白光LED阵列的排列及配光收稿日期:200821211作者简介:杨光(19632) ,男,工程师,供用电技术主管,研究方向为光源驱动、 光源节能 、LED照明 。杨 光(中国科学技术大学,合肥 230029 )摘 要 :该文主要就目前在LED 照明灯具中所采用的小功率高亮度白光LED 的阵列形式、 配光类型 、分布情况 、 应用等进行了较为详细地介绍,给出了几种LED 灯具的配光特性,具有一定的借鉴和参考意义 。关键词 :LED 照明灯具 ;高亮度白光 LED; 阵列 ;配光WhiteLEDArrayandLightDistributioninLEDLampsYangGua
2、ng(University of Scienceand Technologyof China , He Fei 230029)Abstract : ThearticlebrieflyintroducestheminiwallHB-WLED(highbrightnesswhitelightemittingdidoe) ,whichconcainsLEDarray,thetypeoflightdistributionanditsapplication.ItalsoliststhecharactersofseveralLEDlamps.Itcanbeusedforreference.Keywords
3、: LEDlamps;HB-WLED;LEDarray;lightdistribution大功率白光LED 在造价 、 散热 、 光效及驱动等方面距理想的实用阶段还存在着或多或少问题,作为中小功率 LED 在照明灯具中应用广泛的仍然是小功率超高亮度白光LED。小功率超高亮度的白光LED 主要技术参数为:功率不大于0.1W,工作电压在34V 之间 ,工作电流在 2050mA范围内 ,输出光通量在15000 20000mcd 左右 ;与功率较大的W 级功率型白光LED 相比 ,具有自身价格极低、 外形尺寸小、 耗电功率少 、 发光效率高、 组合阵列方便、 自散热性能好、 制成的 LED 灯具价格低
4、廉等诸多特点,因此它们获得了广泛的应用。本文将以小功率超高亮度白光LED 为例 ,介绍其光输出特性、 阵列排列方式、 配光设计及应用等。1 光输出特性及测量1.1 光输出特点及曲线分布商品化的照明白光LED 采用内置的反射器和封装树脂透镜等已经形成了一次光学系统,使得其光输出具有固定的方式。一般可以分为普通型(炮弹形封装形状 ) 和附带反射器型( 食人鱼系列LED) 等形式 ,光输出的角度依据反射器角度及封装透镜的曲率不同而有所不同,主要有窄束和宽束之分,可以满足不同的照明配光需要。图 1 给出了较为典型的LED 光强输出的分布情况,仅供参考 ,具体选用时可以以厂商提供的技术参数为准。1.2
5、LED 光输出角的测量1.2.1 单颗 LED 的有效光角度LED 的光输出为轴对称(法线方向 ) 形式 。单颗白光 LED 的光输出角可以以商家提供的技术参数为准 ,但是在实际的应用中所获得的LED 可能没有给出具体的资料或者为了配光设计细节研究的资料,在使用前可以采用简便实用的方法来测量单颗LED的有效照明光输出角度。?1?2008年3月 灯与照明 第32卷第1期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 图1简单的测量
6、如下:1) 按照图 2 的示意及接线原理,由低向高调节稳压电源的输出电压VDC, 使得流过mA 的电流为LED 的额定工作电流IF, 准确测量LED 管芯 (发光点) 到墙面 (灯具使用中的被照射面) 的垂直距离l,LED 白光投在墙上所形成的圆形光斑的直径d。图2单颗LED光输出角度的测量2) 在纸上按比例做出等腰三角形,利用三角函数公式 :=tan-1(d 2l) 来求出单颗LED 有效光输出的半角角度 ,LED 的照明光输出角为2。为了测量的准确性 ,可以选几个同批号的LED 分别作几次测量 ,求出平均值 。1.2.2 多颗 LED 排列距离的确定由于单颗 LED 的功率很小,作为照明来
7、使用,要求在照明区域内具有一定的均匀光通量和照度,所以需要采用LED 的阵列形式,加大其发光亮度和发光面积 ,改善光照的均匀性。对于两个及以上具有一定光输出角度的单管光强分布进行叠加模拟有两种情况:夹角过小容易在小角度内形成很亮的光斑;夹角过大则在小角度区域内形成暗点。需要选择适当的LED 排列的最大距离以获得较为均匀的光混和效果,为此可以采用以下方式 。1) 实际测量方式:按照图 3 所示 ,通过调节两个LED 间的距离,使得两个LED 圆形光斑内接正方形的边长重合,这时的距离l 就是最大的LED 间的平面排列距离,且l=a 。内 接 正 方 形 的 边 长 a 为01707d, 与内接正方
8、形相对应的有效半角度 =tan-1(a2l) 。LED有效的使用角度将不大于2 (参见图 3 中的虚线方框所示) 。图3多颗LED排列距离的测量2) 简单计算方式:按照已知的 角 ,通过简单地计算来确定两个LED 间最大平面排列距离。此外 ,在曲面上安装时,由于可以将 LED 视为点光源,因此两只 LED 法线间的最大排列角度就可以认为是图3中虚线所示的夹角 的 2 倍 (推导略 ) 。2 常用LED的阵列方式根据照明灯具的光输出特性及应用场合,小功率高亮度 LED 的阵列方式主要有以下几种。2.1 线排列方式2.1.1 直线排列将多颗 LED 按照等距离的直线排列方式来形成的直线发光光源。为
9、了获得较为理想的亮度和照明?2?2008年3月 灯与照明 第32卷第1期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 的均匀度 ,需要综合考虑单颗LED 的功率和排列间的距离 。2.1.2曲线排列将多颗 LED 按照等距离的曲线排列方式来形成的曲线发光光源。由于曲线的特性所决定,为了获得较为理想的亮度和照明的均匀度,同样需要综合考虑单颗 LED 的功率和排列间的距离。2.2 面排列方式2.2.1 平面排列平面排列配光就是将多颗
10、LED 以均匀布置,轴线方向的夹角为零,最小尺寸由LED 的物理尺寸来决定 ,安装在平面的基板上,形成具有一定面积的面发光光源 。其特点是:光照面积小、 光输出集中、 发光均匀 、 光照度高 。根据使用的功能要求,具体所形成的发光面形状包含有下列形状。1)矩形发光面呈现出矩形形状,每一颗 LED 等距离排列 ,所形成的发光面积光照均匀、 亮度集中 、 光照度高 。2)圆形 (环形 )发光面呈现出圆形(环形 ) 形状 ,每一颗 LED 按要求均匀排列。其特点是光照面积较大、 光输出分散、 发光均匀度较差、 光照度一般 。2.2.2 曲面排列曲面排列主要包括下列形式。1)柱面排列柱面形配光分为内柱
11、面和外柱面两大类。内柱面是将 LED 均匀排列在柱面的内侧,这样每一颗发光内聚 ,中心就能形成高的照度;外柱面是将LED 均匀排列在柱面的外侧,这样每一颗 LED 的光发散 ,光输出面较大 、 均匀度差 。2)( 半) 球面排列(半)球面形配光分为内球面和外球面两类。将多颗 LED 均匀布置 ,安装在球面形的基板上,形成具有一定面积的汇聚(内球面 ) 和发散 (外球面 ) 的发光光源 。特点是 :光输出汇聚一点,用于要求高亮度的局部照明点光源;或在空间发散输出,形成发散光源。3)不规则面排列不规则配光通过将多颗LED (或者采用三基色LED) 以一定的排列组合方式安装在特殊曲面的基板上 (墙面
12、 、 造型面 、 顶面等空间) ,形成具有较大尺寸的面发光光源,并通过 LED 动态 、 数字化的控制技术来控制三基色高亮度LED 的明暗 ,达到使 LED 的动态变换 、 色彩组合和亮度变化的目的,显示出数字、 抽象图形 、 曲线 、 色块等效果,营造出特殊的现场效果和形成强烈的视觉冲击。2.3 立体排列方式立体排列方式可以分为以下几种。2.3.1 球体将多个 LED 以阵列形式均匀的分布在圆球形的安装基板上,形成均匀向空间四周发散的照明效果,获得较为广泛的特殊照明应用。2.3.2 柱体将多个 LED 以阵列形式均匀的分布在柱(管) 形的安装基板上,在圆柱面的方向上形成均匀向四周发散的照明效
13、果,获得较为广泛的特定照明效果。3LED灯具配光的应用3.1 线形配光LED 线形配光光源主要应用于建筑物轮廓的勾勒、 洗墙灯 、 发光护栏 、 室内的局部装饰照明和光带照明 (可替代直管荧光灯) 、 发光字牌 、 异形灯槽等 。3.2 平面形配光平面形配光的光照面积小、 光输出集中、 发光均匀、 光照度高,可以应用于模块照明、 照相制版 、 化妆镜灯 、 聚光 (投光 ) 灯等 。3.2.1 柱面形配光柱面形配光应用于要求照度较高的普通照明或特殊场合下,如 LED 格栅灯 、 书写台灯等 。3.2.2 圆环形配光圆环形配光可以替代常规的环形荧光灯。用于环形灯照明 、 局部照明 、 特殊效果装
14、饰等。3.2.3 带状面配光带状面配光应用可用于室内装饰照明、 特殊造型照明等 。3.2.4 半球面形配光半球面形配光中内球面可以应用于要求高亮度的投影机光源,外球面可用于需要局部发散光照明的场合 。3.2.5不规则配光不规则配光应用是一种特殊场合下的照明装饰形式 。如在酒吧 、 迪厅 、 歌厅等娱乐场所,营造出特殊的现场效果和强烈的视觉冲击,获得活泼的饱和色彩 。3.3 立体形配光3.3.1 球体配光球体配光能获得较为广泛的特殊照明应用,应?3?2008年3月 灯与照明 第32卷第1期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - -
15、 - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 用于球形园林灯或特殊场合下的装饰照明等。3.3.2 柱体配光柱体配光是在圆柱面的方向上形成均匀向四周发散的照明效果,可获得特殊的装饰照明效果。3.4 LED 灯具的控光元件由于 LED 光输出方式的特殊性,通常认为LED灯具可以不再需要使用某些在常规照明灯具上必须使用的控光元件,但是为了尽量提高LED 的光利用率 ,获得较高的灯具总效率和具有特殊的光输出,改善灯具光输出的配光曲线,在 LED 灯具中仍然要使用到一定量的控光元件。3.4.1 反射器在 LED 灯具中,由于 LED 具有定向
16、发光的特性 ,有些文章就认为可以取消反射器了。在此应该看到 ,虽然 LED 具有定向光输出的特性,除非是由于空间的限制需要采用超薄型的结构,否则的话,就应该利用针对LED设计的反射器将LED侧面和后面损失的光反射到前面来加强总的光输出,提高 LED灯具的使用效率,而增加的费用却很小,当然 LED 灯具的反射器可以不需要像常规灯具那样大,可以设计成局部薄型扁平结构。常用的反射器主要有抛物线形 、 半圆形 、 椭圆形等,具体在设计时应根据配光需要来选用 。3.4.2配光透镜配光透镜可以将LED 的输出光按照照明配光需要来进行二次分配。常用的主要有凸透镜或菲涅耳透镜 (用来产生平行光束) 、 枕形透
17、镜或楔形透镜(用来产生扩散 、 偏折光束 ) 等 ,以满足不同照明灯具的光分布要求 。3.4.3 均光板 (片)均光板 (片) 是具有均匀厚度的半透明透光材料 ,作用是使被照射面获得均匀的光照。透过均光板的漫反射作用,可以将由多颗组合或单颗发光不均匀的 LED 光输出进行均匀处理,获得均匀的亮度,防止眩光刺眼。3.4.4 遮光器遮光器通过其部分的遮挡作用可以防止不必要的眩光刺眼以及进行光输出的二次分配,提高被照明环境的舒适度。3.5 常见的 LED 灯具LED灯具种类繁多,具有不同的应用场景及广泛的使用途径,这里仅给出了三种常用的LED 灯具示例 。不过所介绍的LED 灯具的光输出均为敞开式
18、,没有考虑二次光学元件的应用。3.5.1 LED 嵌入式筒灯嵌入式筒灯主要用于室内的走道、 门廊 、 厨房 、卫生间及储藏室等场所。采用 LED 的嵌入式筒灯由于可以采用有效的防水处理和低压供电,应用于湿度较大的场合效果将更好。LED 阵列采取球面布置的形式 ,输出的光线具有一定的发散效果,照射的范围较大 。3.5.2 LED 射灯射灯主要应用在局部照明上,要求具有高的亮度和显色性 。用于室内装饰造型、 橱窗 、 工艺品及货架等对照度和显色性要求很高的场合。为了获得集中的光输出角度,LED 采用平面配置。利用成品的射灯结构和抛物面形反光器,可以满足高照度、 高显色性的要求 。3.5.3 LED
19、 书写台灯书写台灯的要求是光输出高、 均匀性好 、 显色性好、 无频闪 ,并且与周围空间有一定的亮度过渡。采用LED的书写台灯由于LED的特性可以进行灵活的布置排列,以获得满意地使用要求,并且可以做到自动稳光和调光(由所选用的驱动器来支持) 。台灯的 LED 阵列布置采取柱面形式,实际使用中可使台灯造型新颖,又美观节能 。4 结束语总之,针对LED照明灯具中LED阵列的设计和配光应用问题,文章着重就白光LED 在照明领域的应用形式 ,LED 阵列在具体设计、 应用方式方法上作了较为详细的分析,具有一定的参考价值。可以相信 ,随着 LED 技术的不断发展以及LED 照明灯具设计制造的不断完善,更新更好的技术方案及产品将会层出不穷。?4?2008年3月 灯与照明 第32卷第1期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -