使用LED點光源實現(xiàn)均勻照明效果的要點探究

尹燾

本文從感覺量化和光學理論的角度，對使用LED點光源實現(xiàn)均勻照明效果的要點進行了探究。

[關(guān)鍵詞]照明光源LED

1研究背景

隨著人民生活水平的日益提高，廣大消費者對光源的要求，已從簡單的提供照明，衍生出光源不刺眼，外觀簡潔美觀等附加要求。如圖1的透過燈罩可以直接看到明顯燈珠的照明形式已不能滿足廣大消費者對高品質(zhì)生活的追求。

而直接使用面光源模塊進行燈珠隱形化的方案成本居高不下，難以廣泛推廣。故探究出一套使用LED點光源實現(xiàn)均勻照明效果的設(shè)計方法，已成為廣大與照明相關(guān)行業(yè)的當務(wù)之急。

2指標量化

要實現(xiàn)均勻照明的視覺感受，即在燈罩平面上各點出射的光強差異無法被人肉眼所察覺。心理物理學奠基者E.H.韋伯教授在韋伯定律中指出：“最小可覺差是標準刺激的不變分數(shù)”，即AB/B=K，其中：最小可覺差△B，即為可以覺察的最小刺激變化;標準刺激B，即為刺激變化的基數(shù);定值K，即為韋伯比。進一步調(diào)查得知：在背景亮度相當寬的范圍內(nèi)，亮度的韋伯比約為0.02。

因此本研究的目標指標即可量化為：當燈罩出射面的最亮點的亮度減去最暗點的亮度除以最亮點的亮度不大于2%時，即可達到燈罩均勻照明的效果。

3光源特性

首先對光源特性進行研究。

在多種多樣的LED類型中，貼片式LED燈（如圖2）具有電壓低、能耗低、亮度高、壽命長、尺寸小等優(yōu)勢，故而得到了廣泛的應用。本研究主要針對該類型的LED燈進行研討。經(jīng)查得知，該類型LED燈屬朗伯光源，其光強遵循余弦規(guī)律，即I。=I。*cosθ。

4數(shù)學模型

建立數(shù)學模型如圖3所示。

其中燈珠到觀察軸的距離為A，燈珠間距為B;

燈珠編號為n（設(shè)n為由1至N之間的一整數(shù)），且每個燈珠的法向與觀察軸的交點受到該燈珠的光強為In;

又設(shè)觀察軸上任意一點至n號燈珠的法向與觀察軸的交點的距離為t;

根據(jù)上述朗伯光源及光強與距離的平方成反比的特性，

可以得出t點所受到的來自n號燈珠的光強為

則t點所受到的來自1～N號燈珠的光強總和

5曲線分析

繪制出公的曲線，取光強分布較穩(wěn)定的中段（如圖4）展開研究。

研究曲線可以得出：觀察軸上的光強分布為以燈珠間距B為波動周期的波浪線，其振幅為最大光強和最小光強的差值A(chǔ)I-=max-Tmin.

6數(shù)據(jù)分析

代入大量燈珠到觀察軸的距離A和燈珠間距B，使得△I/Imx不大于韋伯比0.02，此時發(fā)現(xiàn)在工程應用經(jīng)常使用的A∈（10mm，1000mm）的較大范圍內(nèi)，當B/A=1時，能滿足韋伯比的要求，并發(fā)現(xiàn)此時光強波動基本穩(wěn)定在單顆燈珠的法向與觀察軸的交點受到該燈珠的光強為I。的1.95倍。

7實驗驗證

根據(jù)以上結(jié)論，用實驗來進行驗證，驗證效果如圖5所示。

實驗結(jié)論：在燈珠間距與燈珠到觀察軸的距離之比等于一時，能使用LED點光源實現(xiàn)均勻照明效果。

8結(jié)束語

本研究從感覺量化和光學理論的角度出發(fā)，摸索出一組使用LED點光源實現(xiàn)均勻照明效果?？晒V大照明領(lǐng)域設(shè)計人員參考。