點陣光源的燈效探討

肖罡

（國光電器股份有限公司，廣東廣州，510000）

1 LED燈珠工作原理及輻射模型

1.1 LED燈珠發光原理

編輯PN結的端電壓構成一定勢壘，當加正向偏置電壓時勢壘下降，P區和N區的多數載流子向對方擴散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，所以會出現大量電子向P區擴散，構成對P區少數載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復合，復合時得到的能量以光能的形式釋放出去。

圖1 LED燈珠發光原理

1.2 LED燈珠電流與強度的關系

如圖2所示，LED燈珠通過正向電流越大，電子遷移率越大，LED燈珠發光強度越高。

圖2 正向電流與相對強度

1.3 LED燈珠輻射模型

圖3 不同朗伯指數條件下光源定向性關系圖

對于LED燈的輻射模型，一般采用朗伯模型這一經典模型。其發光強度為：

其中：I0為LED的中心發射強度，θ為輻射角，m為朗伯輻射級數。m可由下式進行計算得到：

其中：D為空間中某點到LED光源的距離，Φ為光線與水平面法線的夾角。當房間存在多個LED燈時，在不考慮反射情況下，由于各個LED光源是非相干光源，各個LED燈在某點的光照度可以相互疊加。因而，在多燈情況下，空間中某點的光照度可以表示為：

其中：N為LED燈的個數。

2 LED燈珠光學特性分析

2.1 光通量

一般用光功率來表示光源在單位時間內光輸出的輻射能量。表示LED光源在某個波長發射的輻射通量，稱為單色輻射通量，單位為（W）。在所有的光譜段的光輻射，輻射通量的概念都適用。不同的波長人眼對其敏感度不同，人眼可見光波長在380nm到780nm范圍內。當波長屬于不可見光范圍時V（λ）=0。因此，只將光源發出的輻射量并可以被人眼所察覺的那部分能量稱為光通量，即明視覺下，光通量表示為:

2.2 LED發光強度及其角分布

發光強度是表征發光器件發光能力強弱的重要指標。大量LED封裝形狀都是圓柱或球型封裝，在凸透鏡的作用下，都有很強的指向性。位于法向方向的光強最大，并與水平面交角為90度。當偏離正法向方向0度時，光強也會發生變化。發光強度定義為一個點光源在指定方向上包含的光通量dψ與立體角元dω之比，表示為：

實際燈珠的有效發射角設定為120度，其發光的空間分布如圖4所示：

圖4 發射角與空間分布關系圖

2.3 光亮度

光亮度是LED發光性能的一項重要參數，光源在某一方向的亮度L是光源在該方向上的發光強度dI，與該微小面元在垂直給定方向的平面上的投影面積之比：

亮度的單位是坎德拉每平方米（cd/m2）。亮度不僅可以用來描述一個發光面，而且可以用來描述光路中的任何一個截面，還可以用亮度來描述一束光，光束的亮度等于這個光束所包含的光通量除以這束光的橫截面積和這束光的立體角。

3 光強空間分布均勻LED 燈珠的新型結構

設計一種光強空間分布均勻的模型，其包含：平面布局的已貼片LED燈珠的多根條形燈板，每顆LED燈珠相互串聯連接；上部安置平面的塑膠擴散板。

圖5 燈效模型構造圖

3.1 關鍵設計參數

（1）LED布局的密度

更高的LED燈布局密度，可以產生更好的燈光效果，其燈距越小，暗區更小，外觀燈效更均勻。

圖6 燈效模型LED排布圖

（2）LED擴散板的類型

擴散板一般選用PMMA、PC、光學玻璃、硅膠等材料，且在透明原料中加入適量的散光粉（作為塑膠添加劑添加，用于光擴散劑時，添加量為原料用量的0.4～1.0%），利用多面體散光粉將光線在塑膠內多次折射，來達到燈光均勻的效果，經實踐經驗所知，參入散光粉的擴散板，板厚越厚燈光越均勻，但散光板越厚，光通量將因光線多次折射后損失而越低。

（3）LED燈到擴散板的距離

為創建均勻的燈光效果，我們先設定LED到LED的最小距離應為13.5mm（～74LED/m）類型。通過實驗我們的調查發現，如果塑料擴散器離LED太近，就會出現亮點。實驗設置：

圖7 不同散射凈空的燈效圖（白色擴散板）

LED間距為13.5mm（74LED/m），擴散器為3mm厚的白色亞克力板。通過在1.5毫米、4.5毫米和7.5毫米處增加擴散板到LED的照射距離，嘗試擴散燈效。照射距離為7.5mm時，擴散效果令人滿意。

圖8 不同散射凈空的燈效圖（黑色擴散板）

最后，在乳白色半透明亞克力板上覆蓋一層淺黑色半透明3mm亞克力板，效果變差了。將LED照射距離調整到10.5mm，擴散效果令人滿意，但由于淺黑色材料的加入，減少了通光亮，致使整體光亮度有明顯下降。

為減少LED的使用，降低功耗電流及成本，我們嘗試調整LED燈距至29mm（～34LED/m）類型，3mm厚乳白色亞克力板的擴散板到LED的照射距離調整至13.5mm時，擴散效果才令人滿意，但燈光強度也有明顯下降。從而也進一步驗證了光照強度與照射距離成反比的理論依據。

圖9 不同照射距離的燈效曲線圖

將此實驗結果導入至CAD中再次模擬驗證（LED散射角a=120°，LED高度約1.4mm時）：

白色擴散板版本，當燈距設定為13.5 mm，PCB燈板至擴散板底部（不計壁厚）凈空照射距離H1≥8.9mm，兩相鄰LED燈重復照射區域A1≮12.48mm；

黑色擴散板版本，當燈距設定為13.5 mm，PCB燈板至擴散板底部（不計壁厚）凈空照射距離H1≥11.9mm，兩相鄰LED燈重復照射區域A2≮22.87mm；

圖10 角度分布關聯圖

其簡約公式歸納為：

式中，D1為燈距，α為LED散射角

進一步分析，當D1≤H1*Tan(α/2)時，重復照射區域將更為大，燈效將會更均勻。由于我們已知燈珠的散射角為120°，所以上式可以簡化為：

我們對某品牌燈光系列音箱產品進行拆機分析比對如表1。

表1 某品牌燈光系列音箱產品拆機分析比對

4 結論

太薄的擴散板會產生亮點；白色擴散板在漫射光線方面優于深色設計；為了獲得良好的擴散效果，擴散板的距離應與LED保持足夠的距離。對于白色版本，照射距離為7.5mm，黑色版本為10.5mm；作為延伸，將擴散板受光面做出凹陷的曲面，讓曲面上的“受光值”無限接近，那燈點或暗區將是不可見的；作為延伸，臨近燈布局采用正菱形等距排布，可改善整體燈效；增加反射杯與多重光學透鏡還要結合球面出光表面，提高取光效率；調整燈光驅動程序，利用多種變幻的亮度、頻率和顏色，彌補暗影缺陷。