照明LED的陣列研究與仿真

LED是一種壽命長、功耗低、無輻射的節(jié)能環(huán)保型光源, 大多數(shù)專家預(yù)測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，LED燈具產(chǎn)品開發(fā)的種類越來越多，設(shè)計合適的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LED燈具設(shè)計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)體中通過載流子發(fā)生復(fù)合放出過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、功耗低、無輻射的節(jié)能環(huán)保型光源，所以近年來，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、汽車照明、交通燈、專用普通照明、特種照明和安全照明。隨著LED發(fā)光效率的不斷提高，LED照明會慢慢代替白熾燈照明，走入千家萬戶。

2. LED陣列照度計算及其分布研究

2.1 LED陣列照度的計算

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陣列的照度是多個單個LED照度的線性疊加。因此只分析單個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)光管簡化為一個有一定空間光強(qiáng)分布的點(diǎn)光源。點(diǎn)光源的特點(diǎn)是能以4 立體角向周圍空間發(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，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LED對平面上某一區(qū)域的光照度為其單個的疊加（多個LED同理疊加），則有（式中d為兩個LED之間的距離）



d增加到0.0218時，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。通過仿真可以驗證計算結(jié)果，如圖1所示，當(dāng)d=0.0218m時，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。