点阵光源的灯效探讨

肖罡

（国光电器股份有限公司，广东广州，510000）

1 LED灯珠工作原理及辐射模型

1.1 LED灯珠发光原理

编辑PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去。

图1 LED灯珠发光原理

1.2 LED灯珠电流与强度的关系

如图2所示，LED灯珠通过正向电流越大，电子迁移率越大，LED灯珠发光强度越高。

图2 正向电流与相对强度

1.3 LED灯珠辐射模型

图3 不同朗伯指数条件下光源定向性关系图

对于LED灯的辐射模型，一般采用朗伯模型这一经典模型。其发光强度为：

其中：I0为LED的中心发射强度，θ为辐射角，m为朗伯辐射级数。m可由下式进行计算得到：

其中：D为空间中某点到LED光源的距离，Φ为光线与水平面法线的夹角。当房间存在多个LED灯时，在不考虑反射情况下，由于各个LED光源是非相干光源，各个LED灯在某点的光照度可以相互叠加。因而，在多灯情况下，空间中某点的光照度可以表示为：

其中：N为LED灯的个数。

2 LED灯珠光学特性分析

2.1 光通量

一般用光功率来表示光源在单位时间内光输出的辐射能量。表示LED光源在某个波长发射的辐射通量，称为单色辐射通量，单位为（W）。在所有的光谱段的光辐射，辐射通量的概念都适用。不同的波长人眼对其敏感度不同，人眼可见光波长在380nm到780nm范围内。当波长属于不可见光范围时V（λ）=0。因此，只将光源发出的辐射量并可以被人眼所察觉的那部分能量称为光通量，即明视觉下，光通量表示为:

2.2 LED发光强度及其角分布

发光强度是表征发光器件发光能力强弱的重要指标。大量LED封装形状都是圆柱或球型封装，在凸透镜的作用下，都有很强的指向性。位于法向方向的光强最大，并与水平面交角为90度。当偏离正法向方向0度时，光强也会发生变化。发光强度定义为一个点光源在指定方向上包含的光通量dψ与立体角元dω之比，表示为：

实际灯珠的有效发射角设定为120度，其发光的空间分布如图4所示：

图4 发射角与空间分布关系图

2.3 光亮度

光亮度是LED发光性能的一项重要参数，光源在某一方向的亮度L是光源在该方向上的发光强度dI，与该微小面元在垂直给定方向的平面上的投影面积之比：

亮度的单位是坎德拉每平方米（cd/m2）。亮度不仅可以用来描述一个发光面，而且可以用来描述光路中的任何一个截面，还可以用亮度来描述一束光，光束的亮度等于这个光束所包含的光通量除以这束光的横截面积和这束光的立体角。

3 光强空间分布均匀LED 灯珠的新型结构

设计一种光强空间分布均匀的模型，其包含：平面布局的已贴片LED灯珠的多根条形灯板，每颗LED灯珠相互串联连接；上部安置平面的塑胶扩散板。

图5 灯效模型构造图

3.1 关键设计参数

（1）LED布局的密度

更高的LED灯布局密度，可以产生更好的灯光效果，其灯距越小，暗区更小，外观灯效更均匀。

图6 灯效模型LED排布图

（2）LED扩散板的类型

扩散板一般选用PMMA、PC、光学玻璃、硅胶等材料，且在透明原料中加入适量的散光粉（作为塑胶添加剂添加，用于光扩散剂时，添加量为原料用量的0.4～1.0%），利用多面体散光粉将光线在塑胶内多次折射，来达到灯光均匀的效果，经实践经验所知，参入散光粉的扩散板，板厚越厚灯光越均匀，但散光板越厚，光通量将因光线多次折射后损失而越低。

（3）LED灯到扩散板的距离

为创建均匀的灯光效果，我们先设定LED到LED的最小距离应为13.5mm（～74LED/m）类型。通过实验我们的调查发现，如果塑料扩散器离LED太近，就会出现亮点。实验设置：

图7 不同散射净空的灯效图（白色扩散板）

LED间距为13.5mm（74LED/m），扩散器为3mm厚的白色亚克力板。通过在1.5毫米、4.5毫米和7.5毫米处增加扩散板到LED的照射距离，尝试扩散灯效。照射距离为7.5mm时，扩散效果令人满意。

图8 不同散射净空的灯效图（黑色扩散板）

最后，在乳白色半透明亚克力板上覆盖一层浅黑色半透明3mm亚克力板，效果变差了。将LED照射距离调整到10.5mm，扩散效果令人满意，但由于浅黑色材料的加入，减少了通光亮，致使整体光亮度有明显下降。

为减少LED的使用，降低功耗电流及成本，我们尝试调整LED灯距至29mm（～34LED/m）类型，3mm厚乳白色亚克力板的扩散板到LED的照射距离调整至13.5mm时，扩散效果才令人满意，但灯光强度也有明显下降。从而也进一步验证了光照强度与照射距离成反比的理论依据。

图9 不同照射距离的灯效曲线图

将此实验结果导入至CAD中再次模拟验证（LED散射角a=120°，LED高度约1.4mm时）：

白色扩散板版本，当灯距设定为13.5 mm，PCB灯板至扩散板底部（不计壁厚）净空照射距离H1≥8.9mm，两相邻LED灯重复照射区域A1≮12.48mm；

黑色扩散板版本，当灯距设定为13.5 mm，PCB灯板至扩散板底部（不计壁厚）净空照射距离H1≥11.9mm，两相邻LED灯重复照射区域A2≮22.87mm；

图10 角度分布关联图

其简约公式归纳为：

式中，D1为灯距，α为LED散射角

进一步分析，当D1≤H1*Tan(α/2)时，重复照射区域将更为大，灯效将会更均匀。由于我们已知灯珠的散射角为120°，所以上式可以简化为：

我们对某品牌灯光系列音箱产品进行拆机分析比对如表1。

表1 某品牌灯光系列音箱产品拆机分析比对

4 结论

太薄的扩散板会产生亮点；白色扩散板在漫射光线方面优于深色设计；为了获得良好的扩散效果，扩散板的距离应与LED保持足够的距离。对于白色版本，照射距离为7.5mm，黑色版本为10.5mm；作为延伸，将扩散板受光面做出凹陷的曲面，让曲面上的“受光值”无限接近，那灯点或暗区将是不可见的；作为延伸，临近灯布局采用正菱形等距排布，可改善整体灯效；增加反射杯与多重光学透镜还要结合球面出光表面，提高取光效率；调整灯光驱动程序，利用多种变幻的亮度、频率和颜色，弥补暗影缺陷。