探究實現(xiàn)均勻照明的LED系統(tǒng)設(shè)計方法

【摘要】LED系統(tǒng)的應(yīng)用可以改善人們的生活水平，提高照明質(zhì)量，具有穩(wěn)定性高、能耗低、對環(huán)境影響小的特點，廣泛的應(yīng)用到實際的生產(chǎn)生活中。實現(xiàn)均勻照明的LED系統(tǒng)設(shè)計是提高LED系統(tǒng)的照明質(zhì)量，提高LED系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。以下本文對LED系統(tǒng)均勻照明的系統(tǒng)設(shè)計展開探討，并采用合理的設(shè)計方案，實現(xiàn)均勻照明的LED系統(tǒng)，旨在為相關(guān)人員提供參考，促進均勻照明的LED系統(tǒng)的實現(xiàn)，滿足人們的實際生活需求。

【關(guān)鍵詞】光學(xué)設(shè)計，均勻照明，LED系統(tǒng)，設(shè)計方法

LED系統(tǒng)能夠有效的提高能源的利用效率，符合綠色照明的實際需求。為了實現(xiàn)LED系統(tǒng)的均勻照明，需要合理的對系統(tǒng)進行設(shè)計，提高照明質(zhì)量，促使LED系統(tǒng)能夠更加符合人們的實際需求，減少暗斑和光效降低情況的發(fā)生，提高LED系統(tǒng)的整體效能。在實際的設(shè)計中可以采用試錯法進行設(shè)計，減少復(fù)雜的編程程序，優(yōu)化LED系統(tǒng)設(shè)計，促使設(shè)計能夠合理的對LED系統(tǒng)的光進行利用，并使系統(tǒng)的光變?yōu)槠叫泄饣虬l(fā)散光，促使LED系統(tǒng)的光束角度的減少，提高光能的利用效率，促使均勻照明的實現(xiàn)。

從而實現(xiàn)LED系統(tǒng)的均勻照明設(shè)計。

一、LED系統(tǒng)的相關(guān)概述

LED系統(tǒng)是先用照明中常用的系統(tǒng)，主要是由一系列的LED產(chǎn)品組合而成的，具有良好的照明效果，通過LED系統(tǒng)的應(yīng)用，可以有效的改善人們的生活，提高照明能力?？蓮V泛的應(yīng)用到家居照明，數(shù)字照明、LED顯示器等，具有較好的應(yīng)用質(zhì)量。但是傳統(tǒng)的LED系統(tǒng)在實際的應(yīng)用過程中，一些問題是確實存在的。（1）LED系統(tǒng)照明效果存在視覺感知上問題，較比自然光，LED系統(tǒng)的顯色系數(shù)較高，會出光強分布不均的情況，導(dǎo)致人們對LED系統(tǒng)的視覺效果不夠理想。（2）傳統(tǒng)的LED系統(tǒng)發(fā)光效率不夠強，需要進一步提高，而且隨著LED系統(tǒng)的使用，還會導(dǎo)致光效降低的情況發(fā)生。（3）應(yīng)用過程中，導(dǎo)致光斑的出現(xiàn)，影響LED系統(tǒng)的照明質(zhì)量。針對傳統(tǒng)LED系統(tǒng)的不足，需要結(jié)合實際情況，合理的對LED系統(tǒng)進行設(shè)計，促使均勻照明的LED系統(tǒng)的實現(xiàn)。

二、光源模型及均勻照明的設(shè)計原理

光源模型的建立是LED系統(tǒng)設(shè)計的重要因素，光源模型的設(shè)計可以稱之為為第一次光學(xué)模型的，LED系統(tǒng)的光學(xué)模型可以分為單顆LED模型和LED列陣模型。并根據(jù)LED光學(xué)模型的特點，合理的進行二次光學(xué)設(shè)計，提高LED系統(tǒng)的照明質(zhì)量。傳統(tǒng)的均勻照明方式可以分為，積分球、光棒均勻照明等方式，但是這些均勻照明方式光能利用率不高，影響LED系統(tǒng)的均勻照明效率。因此，需要合理的對均勻LED系統(tǒng)進行設(shè)計，并采用透鏡方式實現(xiàn)LED系統(tǒng)的均勻照射。均勻照明的LED系統(tǒng)采用：光照通過透鏡，由透鏡實現(xiàn)光源的折射，到達目標(biāo)平面，為了實現(xiàn)透鏡折射后光源能夠達到目標(biāo)平面上的指定的位置，需要具有一個非球面的后表面，實現(xiàn)光源的偏折，并將光源設(shè)為朗伯光源。設(shè)計需要明確光源的出光的分布，并合理的對優(yōu)化指標(biāo)進行優(yōu)化，實現(xiàn)對光源發(fā)出光線的控制，最終實現(xiàn)LED系統(tǒng)的均勻照明。

獲得下述兩式：

其中Fm是優(yōu)化指標(biāo)，Ti為目標(biāo)值，Vi為當(dāng)前值，Wi為操作數(shù)權(quán)重。Y為平面坐標(biāo)，θ為光源的出射角，（2）表示出射角與目標(biāo)平面坐標(biāo)y之間的關(guān)系方程，而當(dāng)系統(tǒng)實現(xiàn)Ti與Vi一致時，能夠?qū)崿F(xiàn)LED系統(tǒng)的均勻照明。

進行均勻照明的LED系統(tǒng)，需要滿足盡可能的利用LED系統(tǒng)的光，并通過透鏡合理的將LED系統(tǒng)的光收集成平行的光，或是角度較小的發(fā)散光，實現(xiàn)LED系統(tǒng)的光束角度的降低，提高光能的利用效率，促使均勻照明的實現(xiàn)。

三、設(shè)計過程和結(jié)果模擬

（一）過程

結(jié)合LED系統(tǒng)的均勻照明系統(tǒng)的設(shè)計原理，合理的對LED系統(tǒng)均勻照明進行設(shè)計。首先采用無影燈提供光源，并將光源設(shè)置為朗伯光源。為了實現(xiàn)距離光源1m遠(yuǎn)的平面的均勻照射，而平面的直徑為0.25m，光源的最大出光角為120°。根據(jù)設(shè)計需要控制LED系統(tǒng)的效率，并確保LED系統(tǒng)實現(xiàn)對0.25m平面的均勻照射，并滿足國家對無影燈的相關(guān)使用標(biāo)準(zhǔn)，配合照明優(yōu)化操作系數(shù)NSDD，合理的對LED系統(tǒng)均勻照明進行設(shè)計。

設(shè)計需要結(jié)合照明優(yōu)化操作系數(shù)NSDD與式（2），采用厚度為0.01m，口徑0.192m的透鏡材料，控制系統(tǒng)效率大于95%，均勻度大于95.0%，實現(xiàn)了于0.25m平面的LED系統(tǒng)的均勻照射，切實符合設(shè)計要求和設(shè)計目的。

（二）結(jié)果模擬

通過LED系統(tǒng)的設(shè)計原理和過程，能夠得到LED系統(tǒng)對不同平面的照射效果。將該LED系統(tǒng)導(dǎo)入到光學(xué)仿真軟件中進行光學(xué)模擬，并根據(jù)該設(shè)計的具體參數(shù)，獲得不同平面的照射結(jié)果和透鏡效率：（1）當(dāng)平面為球面時，透鏡中折射出的光源，能夠?qū)崿F(xiàn)對球面照射均勻度98.6%，透鏡效率為97.3%，能夠切實滿足球面的均勻照明。（2）當(dāng)平面為非球面時，該設(shè)計仍舊能夠滿足均勻照明的需求，其中透鏡的效率可以達到97.8%，均勻度達到96.65%。

通過光學(xué)仿真模擬的結(jié)果，能夠得到LED系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同平面的均勻照明，有效的提高了LED系統(tǒng)的光能利用效率，且照明深度1m為最佳照明效果，減少LED系統(tǒng)暗斑的情況，提高LED系統(tǒng)的照明質(zhì)量。

結(jié)束語：

LED系統(tǒng)是一種良好的照明系統(tǒng)，能夠提供良好的照明效果。但是LED系統(tǒng)在實際的應(yīng)用過程中，會出現(xiàn)光效降低、暗斑的產(chǎn)生，影響LED系統(tǒng)的照明質(zhì)量，因此，需要結(jié)合LED系統(tǒng)的實際情況，科學(xué)的對基于均勻照明的LED系統(tǒng)進行設(shè)計，從而有效的提高LED系統(tǒng)的照明能力，實現(xiàn)均勻照射，促使LED系統(tǒng)能夠更加符合使用需求，從而有效的提高LED系統(tǒng)的應(yīng)用質(zhì)量。

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作者簡介：師小波（1982-），男，碩士，河北建材職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，主要從事光學(xué)器件的設(shè)計研究。