使用LED点光源实现均匀照明效果的要点探究

尹焘

本文从感觉量化和光学理论的角度，对使用LED点光源实现均匀照明效果的要点进行了探究。

[关键词]照明光源LED

1研究背景

随着人民生活水平的日益提高，广大消费者对光源的要求，已从简单的提供照明，衍生出光源不刺眼，外观简洁美观等附加要求。如图1的透过灯罩可以直接看到明显灯珠的照明形式已不能满足广大消费者对高品质生活的追求。

而直接使用面光源模块进行灯珠隐形化的方案成本居高不下，难以广泛推广。故探究出一套使用LED点光源实现均匀照明效果的设计方法，已成为广大与照明相关行业的当务之急。

2指标量化

要实现均匀照明的视觉感受，即在灯罩平面上各点出射的光强差异无法被人肉眼所察觉。心理物理学奠基者E.H.韦伯教授在韦伯定律中指出：“最小可觉差是标准刺激的不变分数”，即AB/B=K，其中：最小可觉差△B，即为可以觉察的最小刺激变化;标准刺激B，即为刺激变化的基数;定值K，即为韦伯比。进一步调查得知：在背景亮度相當宽的范围内，亮度的韦伯比约为0.02。

因此本研究的目标指标即可量化为：当灯罩出射面的最亮点的亮度减去最暗点的亮度除以最亮点的亮度不大于2%时，即可达到灯罩均匀照明的效果。

3光源特性

首先对光源特性进行研究。

在多种多样的LED类型中，贴片式LED灯（如图2）具有电压低、能耗低、亮度高、寿命长、尺寸小等优势，故而得到了广泛的应用。本研究主要针对该类型的LED灯进行研讨。经查得知，该类型LED灯属朗伯光源，其光强遵循余弦规律，即I。=I。*cosθ。

4数学模型

建立数学模型如图3所示。

其中灯珠到观察轴的距离为A，灯珠间距为B;

灯珠编号为n（设n为由1至N之间的一整数），且每个灯珠的法向与观察轴的交点受到该灯珠的光强为In;

又设观察轴上任意一点至n号灯珠的法向与观察轴的交点的距离为t;

根据上述朗伯光源及光强与距离的平方成反比的特性，

可以得出t点所受到的来自n号灯珠的光强为

则t点所受到的来自1～N号灯珠的光强总和

5曲线分析

绘制出公的曲线，取光强分布较稳定的中段（如图4）展开研究。

研究曲线可以得出：观察轴上的光强分布为以灯珠间距B为波动周期的波浪线，其振幅为最大光强和最小光强的差值AI-=max-Tmin.

6数据分析

代入大量灯珠到观察轴的距离A和灯珠间距B，使得△I/Imx不大于韦伯比0.02，此时发现在工程应用经常使用的A∈（10mm，1000mm）的较大范围内，当B/A=1时，能满足韦伯比的要求，并发现此时光强波动基本稳定在单颗灯珠的法向与观察轴的交点受到该灯珠的光强为I。的1.95倍。

7实验验证

根据以上结论，用实验来进行验证，验证效果如图5所示。

实验结论：在灯珠间距与灯珠到观察轴的距离之比等于一时，能使用LED点光源实现均匀照明效果。

8结束语

本研究从感觉量化和光学理论的角度出发，摸索出一组使用LED点光源实现均匀照明效果。可供广大照明领域设计人员参考。