探究实现均匀照明的LED系统设计方法

【摘要】LED系统的应用可以改善人们的生活水平，提高照明质量，具有稳定性高、能耗低、对环境影响小的特点，广泛的应用到实际的生产生活中。实现均匀照明的LED系统设计是提高LED系统的照明质量，提高LED系统的应用范围。以下本文对LED系统均匀照明的系统设计展开探讨，并采用合理的设计方案，实现均匀照明的LED系统，旨在为相关人员提供参考，促进均匀照明的LED系统的实现，满足人们的实际生活需求。

【关键词】光学设计，均匀照明，LED系统，设计方法

LED系统能够有效的提高能源的利用效率，符合绿色照明的实际需求。为了实现LED系统的均匀照明，需要合理的对系统进行设计，提高照明质量，促使LED系统能够更加符合人们的实际需求，减少暗斑和光效降低情况的发生，提高LED系统的整体效能。在实际的设计中可以采用试错法进行设计，减少复杂的编程程序，优化LED系统设计，促使设计能够合理的对LED系统的光进行利用，并使系统的光变为平行光或发散光，促使LED系统的光束角度的减少，提高光能的利用效率，促使均匀照明的实现。

从而实现LED系统的均匀照明设计。

一、LED系统的相关概述

LED系统是先用照明中常用的系统，主要是由一系列的LED产品组合而成的，具有良好的照明效果，通过LED系统的应用，可以有效的改善人们的生活，提高照明能力。可广泛的应用到家居照明，数字照明、LED显示器等，具有较好的应用质量。但是传统的LED系统在实际的应用过程中，一些问题是确实存在的。（1）LED系统照明效果存在视觉感知上问题，较比自然光，LED系统的显色系数较高，会出光强分布不均的情况，导致人们对LED系统的视觉效果不够理想。（2）传统的LED系统发光效率不够强，需要进一步提高，而且随着LED系统的使用，还会导致光效降低的情况发生。（3）应用过程中，导致光斑的出现，影响LED系统的照明质量。针对传统LED系统的不足，需要结合实际情况，合理的对LED系统进行设计，促使均匀照明的LED系统的实现。

二、光源模型及均匀照明的设计原理

光源模型的建立是LED系统设计的重要因素，光源模型的设计可以称之为为第一次光学模型的，LED系统的光学模型可以分为单颗LED模型和LED列阵模型。并根据LED光学模型的特点，合理的进行二次光学设计，提高LED系统的照明质量。传统的均匀照明方式可以分为，积分球、光棒均匀照明等方式，但是这些均匀照明方式光能利用率不高，影响LED系统的均匀照明效率。因此，需要合理的对均匀LED系统进行设计，并采用透镜方式实现LED系统的均匀照射。均匀照明的LED系统采用：光照通过透镜，由透镜实现光源的折射，到达目标平面，为了实现透镜折射后光源能够达到目标平面上的指定的位置，需要具有一个非球面的后表面，实现光源的偏折，并将光源设为朗伯光源。设计需要明确光源的出光的分布，并合理的对优化指标进行优化，实现对光源发出光线的控制，最终实现LED系统的均匀照明。

获得下述两式：

其中Fm是优化指标，Ti为目标值，Vi为当前值，Wi为操作数权重。Y为平面坐标，θ为光源的出射角，（2）表示出射角与目标平面坐标y之间的关系方程，而当系统实现Ti与Vi一致时，能够实现LED系统的均匀照明。

进行均匀照明的LED系统，需要满足尽可能的利用LED系统的光，并通过透镜合理的将LED系统的光收集成平行的光，或是角度较小的发散光，实现LED系统的光束角度的降低，提高光能的利用效率，促使均匀照明的实现。

三、设计过程和结果模拟

（一）过程

结合LED系统的均匀照明系统的设计原理，合理的对LED系统均匀照明进行设计。首先采用无影灯提供光源，并将光源设置为朗伯光源。为了实现距离光源1m远的平面的均匀照射，而平面的直径为0.25m，光源的最大出光角为120°。根据设计需要控制LED系统的效率，并确保LED系统实现对0.25m平面的均匀照射，并满足国家对无影灯的相关使用标准，配合照明优化操作系数NSDD，合理的对LED系统均匀照明进行设计。

设计需要结合照明优化操作系数NSDD与式（2），采用厚度为0.01m，口径0.192m的透镜材料，控制系统效率大于95%，均匀度大于95.0%，实现了于0.25m平面的LED系统的均匀照射，切实符合设计要求和设计目的。

（二）结果模拟

通过LED系统的设计原理和过程，能够得到LED系统对不同平面的照射效果。将该LED系统导入到光学仿真软件中进行光学模拟，并根据该设计的具体参数，获得不同平面的照射结果和透镜效率：（1）当平面为球面时，透镜中折射出的光源，能够实现对球面照射均匀度98.6%，透镜效率为97.3%，能够切实满足球面的均匀照明。（2）当平面为非球面时，该设计仍旧能够满足均匀照明的需求，其中透镜的效率可以达到97.8%，均匀度达到96.65%。

通过光学仿真模拟的结果，能够得到LED系统可以实现不同平面的均匀照明，有效的提高了LED系统的光能利用效率，且照明深度1m为最佳照明效果，减少LED系统暗斑的情况，提高LED系统的照明质量。

结束语：

LED系统是一种良好的照明系统，能够提供良好的照明效果。但是LED系统在实际的应用过程中，会出现光效降低、暗斑的产生，影响LED系统的照明质量，因此，需要结合LED系统的实际情况，科学的对基于均匀照明的LED系统进行设计，从而有效的提高LED系统的照明能力，实现均匀照射，促使LED系统能够更加符合使用需求，从而有效的提高LED系统的应用质量。

参考文献：

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作者简介：师小波（1982-），男，硕士，河北建材职业技术学院教师，主要从事光学器件的设计研究。