LED是一種壽命長(zhǎng)、功耗低、無(wú)輻射的節(jié)能環(huán)保型光源, 大多數(shù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)21世紀(jì)將是以固體發(fā)光材料為核心的,即以LED為代表的新型光源、綠色照明的世紀(jì)，因此LED光源具有光明的前景。近年來(lái)，LED燈具產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的種類(lèi)越來(lái)越多，設(shè)計(jì)合適的LED燈具顯得尤為重要。由于單顆LED的功率很小，作為照明來(lái)使用，要求在照明區(qū)域內(nèi)具有一定的均勻光通量和照度，所以需要采用LED的陣列形式，加大其發(fā)光亮度和發(fā)光面積，改善光照的均勻性。本文對(duì)LED陣列進(jìn)行仿真，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出各種陣列的特點(diǎn)，分析適合此陣列的燈具，為L(zhǎng)ED燈具設(shè)計(jì)提供精確的參考依據(jù)。
1. LED及其照明應(yīng)用
LED(Lighting Emitting Diode)即發(fā)光二極管，它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，在半導(dǎo)體中通過(guò)載流子發(fā)生復(fù)合放出過(guò)剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍(lán)、綠、青、橙、紫、白色的光。因其是壽命長(zhǎng)、功耗低、無(wú)輻射的節(jié)能環(huán)保型光源，所以近年來(lái)，LED光源特別是白光LED引起人們的極大關(guān)注。
LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括夜景照明、汽車(chē)照明、交通燈、專(zhuān)用普通照明、特種照明和安全照明。隨著LED發(fā)光效率的不斷提高，LED照明會(huì)慢慢代替白熾燈照明，走入千家萬(wàn)戶(hù)。
2. LED陣列照度計(jì)算及其分布研究
2.1 LED陣列照度的計(jì)算
照度(Luminosity)指物體被照亮的程度，采用單位面積所接受的光通量來(lái)表示，表示單位為勒[克斯](Lux) ，即lm/m2。 1 勒[克斯]等于 1 流[明]( lm)的光通量均勻分布于 1 m2 面積上的光照度。LED陣列的照度是多個(gè)單個(gè)LED照度的線性疊加。因此只分析單個(gè)LED照度。
通常LED所照射的目標(biāo)距離比LED本身大的多，在這種情況下將LED發(fā)光管簡(jiǎn)化為一個(gè)有一定空間光強(qiáng)分布的點(diǎn)光源。點(diǎn)光源的特點(diǎn)是能以4 立體角向周?chē)臻g發(fā)出相同發(fā)光強(qiáng)度的光輻射。假設(shè)面元dS接受LED點(diǎn)光源S的光照，設(shè)點(diǎn)光源S至面元dS的距離為r，并且點(diǎn)光源發(fā)出的元光束的光軸與面元的法線N之間的夾角為 ，則面元上的照度為：
LED的光強(qiáng)分布不是一個(gè)理想的余弦分布，該分布可以表示為：
當(dāng)LED照射到與其光軸方向垂直的平面時(shí)，在該平面上的光照度分布為：
以上公式為下面LED陣列照度仿真的依據(jù)公式。
2.2 LED陣列研究
2.2.1 LED陣列中LED間距的分析
由于LED是一種非相干光源，因此兩個(gè)LED對(duì)平面上某一區(qū)域的光照度為其單個(gè)的疊加（多個(gè)LED同理疊加），則有（式中d為兩個(gè)LED之間的距離）
d增加到0.0218時(shí)，原點(diǎn)附近的區(qū)域的光照度不至下降很多，此距離比較合適。通過(guò)仿真可以驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，如圖1所示，當(dāng)d=0.0218m時(shí)，原點(diǎn)附近照度較均勻。
2.2.2 LED陣列分布研究
LED陣列分布主要研究的是LED陣列分布方式，根據(jù)陣列分布方式不同，可以分為面排列方式和立體排列方式。[!--empirenews.page--]
面排列方式又分為平面排列與曲面排列。平面排列配光就是將多顆LED以均勻布置，軸線方向的夾角為零，安裝在平面的基板上，形成具有一定面積的面發(fā)光光源。其特點(diǎn)是：光照面積小、光輸出集中、發(fā)光均勻、光照度高。根據(jù)使用的功能要求，具體所形成的發(fā)光面形狀包含矩形、圓形、橢圓等；曲面排列主要包括柱面排列、球面排列、不規(guī)則排列等。
立體排列方式主要包括球體和柱體。
本文鑒于篇幅，只分析平面排列中的矩形與曲面排列中的內(nèi)半圓柱面排列，立體排列其實(shí)是曲面排列的特例（不只分析底面光照，而是各個(gè)面的光照），不再作具體分析。
3. LED陣列仿真及比較分析
LED陣列用Matlab軟件進(jìn)行仿真。
3.1矩形平面的仿真結(jié)果及分析
圖2為7×17矩形陣列仿真結(jié)果。本次仿真取陣列距離照射面為6米（根據(jù)具體燈具應(yīng)變換仿真距離）。
從圖2的仿真結(jié)果，我們可以看出，7×17矩形陣列的中心最大照度約為40Lux，在過(guò)最大照度的一半即20Lux的區(qū)域?yàn)榫嘀行募s0.75m的范圍內(nèi)。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可知，矩形陣列的照射范圍比較集中，此類(lèi)陣列分布的燈具適用于照射面較小且比較集中的照射領(lǐng)域。
3.2內(nèi)半圓柱表面的仿真結(jié)果及分析
圖3為7×17內(nèi)半圓柱陣列仿真結(jié)果。同上,本次仿真取陣列距離照射面為6米。
從圖3的仿真結(jié)果，我們可以看出，7×17內(nèi)半圓柱陣列的中心最大照度約為3.3Lux，在過(guò)最大照度的一半即1.65Lux的區(qū)域x軸為距中心約7m的范圍內(nèi)，y軸為距中心0.8m的范圍內(nèi)。通過(guò)以上數(shù)據(jù)可知，內(nèi)半圓柱陣列的照射范圍分布成長(zhǎng)條狀，此類(lèi)陣列分布的燈具適用于一方向上照射區(qū)域較大且與其垂直方向上照射區(qū)域較小的照射領(lǐng)域。
3.3陣列分布在平面與曲面上的比較
對(duì)于以上分析的兩種陣列，所用LED及數(shù)目均相同，但是根據(jù)仿真結(jié)果我們可以看出，在照度大小、照射區(qū)域等方面存在很大的區(qū)別。代表平面的矩形分布的陣列中心照度比較大，達(dá)到了40Lux，但是其照射區(qū)域比較小，20Lux內(nèi)僅有約0.75m的范圍內(nèi)，而代表曲面的內(nèi)半圓柱表面分布的陣列中心照度比較小，僅為3.3Lux，但照射區(qū)域比較大，最大照度值一半的區(qū)域在一方向上達(dá)到了 7m。
比較仿真結(jié)果可以得出，平面分布陣列的光照面積小、光輸出集中、發(fā)光均勻、光照度高，可以應(yīng)用于模塊照明、照相制版、化妝鏡燈、聚光(投光)燈等；曲面分布陣列照射面積較大，具有發(fā)散的照明效果，可獲得特殊的裝飾照明效果，適用于廣場(chǎng)燈、路燈等。
4. 結(jié)語(yǔ)
總之，針對(duì)LED照明燈具中LED陣列的照度計(jì)算和分布問(wèn)題，文章著重就LED陣列在具體設(shè)計(jì)、分布上作了仿真及較為詳細(xì)的分析，對(duì)于設(shè)計(jì)出更完美的LED燈具具有一定的參考價(jià)值。可以相信，隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展以及LED照明燈具設(shè)計(jì)制造的不斷完善，更新更好的技術(shù)方案及產(chǎn)品將會(huì)層出不窮。
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