直下式LED燈具的光學設計與研究

錢洋波

常州檢驗檢測標準認證研究院 江蘇常州 213164

LED是一種綠色光源，也是第四代照明光源，它是利用一種半導體固體作為發光材料，它是可以直接把電能轉化成光能的元器件，并且具有節能、環保、體積小、壽命長等優勢，廣泛使用在各種指示燈、裝飾燈、普通照明以及城市照明等方面。根據LED的使用功能的不同，可以分為信號燈、車用燈、液晶顯示器等，根據投光方式的不同，可以分為側入式和直下式兩類[1]。側入式的LED燈具外形超薄，安裝方便等特點，但容易出現發黑發黃的情況，而直下式LED燈具一般外形較厚，安裝需要一定的空間，但其LED燈具的光能利用率和光品質上都比較好，本文舉例說明幾款LED燈具。

1 LED面板燈

和傳統的白熾燈、熒光燈相比較，LED面板燈是一款較高檔的室內照明燈具，整個燈具光照勻稱性好，光線柔和，有一定的緩解眼部疲勞等特點，有較好的設計空間，因此，LED燈具不僅擁有良好的照明效果，還可以給人帶來美的體驗。這類嵌入式LED面板燈的使用非常廣泛，它可以嵌入在墻壁中，還采用懸掛的方式安裝在天花板、安裝體的下方，所以這類產品在室內照明燈具市場上具有強有力的發展空間。

雖然LED面板燈使用非常廣泛，但仍有很大的缺點。例如厚度較大不利于在空間狹小的地方進行安裝，以及照度分布不均勻。想要減少直下式LED面板燈的厚度，就要對結構進行優化設計。而想要提高LED的照度，就要設計更大角度的透鏡，通過實驗我們可以發現，LED陣列間距為82mm距離目標面25mm時，照度均勻性最好。所以我們在設計時要選擇適合的光學透鏡，同時還要注意成本，因為較大角度的透鏡成本較高，同時還要對直下式面板燈的內部排列布局進行優化，以達到厚度減薄的目的。

2 LED廣告燈箱

LED廣告燈箱一般以不斷的閃動結合停留時間并集合霓虹燈的優勢在白天夜晚都可以不斷的閃動，動靜結合，有效的給人帶來視覺上的沖擊，和傳統的變換燈箱和滾動燈箱的廣告效果大相徑庭。LED廣告燈箱主要在商場、公交車站、收費站、停車場等各個地方，都得到了廣泛的應用且種類繁多。另外，LED廣告燈箱在使用壽命、安裝、節能等方面都有較好的生產趨勢。直下式LED燈箱主要有兩種生產方式，一種是使用大量的低功率LED芯片實現陣列發光，而另一種方式則是采用大功率的LED加裝二次透鏡。但第二種方法存在很大的裝配問題，很容易會造成光能的浪費，再加上當前使用的透鏡一般都是圓形的，浪費了大量邊緣的LED光能量[2]。

如果要解決光能浪費的問題，就要對透鏡進行新的設計，改進透鏡能夠增加對光源的利用率，從而大大增加發光效率。利用網格劃分發法可以篩選出有較高發光效率的透鏡，而一次透鏡相較于二次透鏡有較高的發光效率，因此在廣告燈箱中選擇一次透鏡可以取得較高的發光效率。所以在進行直下式LED廣告箱的改進設計時，要選擇合適的透鏡以求最大的發光效率，同時還要控制生產成本，避免因為成本太高導致直下式LED廣告箱的價格大幅度上漲。

3 LED黃疸光療燈

LED燈具的應用領域不斷得到延伸，在醫療領域上的光照治療也得到了特殊的照明應用，就新生兒黃疸來說，LED黃疸光療燈的出現成為治療新生兒黃疸的首選光源。在醫學領域上，新生兒黃疽病一般采用光照療法，而LED黃疸光療燈的治療比較好、方法簡單，具有安全性以及副作用小等優點，在醫學臨床上得到了廣泛的推廣使用，其中藍光療法的使用范圍最廣。

傳統的新生兒黃疽光照療法一般使用白熾燈和熒光燈等光照，但這些光照都具有使用壽命短、照明光譜不穩定和頻閃等問題，更是含有對人體有危害的紅外光線和紫外光線[3]。伴隨著LED照明技術的不斷研究深入，通過對LED光譜構造技術的研究，根據LED光照峰值波長短的不同及數量的差異，所采用4種單色LED燈，研制出一種專門用于醫治新生兒黃疽的直下式LED黃疽燈，它的照明光譜與膽紅素吸收光譜一致。可是LED黃疽光療燈出現卻引出一個全新的問題，由于不同的單色LED燈進行匹配，在同一個面板上進行排列時，如果新生兒身上接收到的照明光譜分布和光照程度不同，就會大大降低LED黃疽光療燈對黃疸病的治療效果。

想要提高這類LED黃疸燈的治療效果，就要改進基板上四種LED燈的排布方式，從而實現LED燈的照度平衡，達到照度均勻，這樣就能夠使燈在各個接收面上的光譜分布均勻，這樣的設計能夠在一定程度上提高黃疸燈的治療效果。

4 結語

隨著LED技術的不斷提高，使用范圍越來越大從基礎照明顯示，逐步邁向醫療器械、汽車等領域的全方位發展，LED燈具的質量得到提高，性能效果逐漸提升。就好比LED面板燈、LED廣告燈箱和LED黃疽光療燈等，越來越多的光照領域都出現LED的身影，也越來越多的廣告燈箱也是出現LED的身影。這三款LED燈具，根據光學設計原理為基礎，對LED的基板上的多種單色LED的進行排列，使得設計得到更好的符合大眾審美，可以在現有的基礎上更加有效地改善照明質量和光療效果，而直下式的LED燈具在照明的勻稱性上和能量利用率上還是有很大的設計研究空間。綜上所述，對直下式LED的應用形式進行設計研究，根據創新設計和應用途徑上對改進基板上各種單色的LED排列方式，可以更好的進行設計研究，同時，有效地改善照明問題和生產成本，促使LED燈具朝著高效、綠色環保和健康的發展方向。