照明LED的陣列研究與仿真

LED是一種壽命長(cháng)、功耗低、無(wú)輻射的節能環(huán)保型光源, 大多數專(zhuān)家預測21世紀將是以固體發(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，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(lái)使用，要求在照明區域內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，并根據仿真結果進(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(cháng)ED燈具設計提供精確的參考依據。

1. LED及其照明應用

LED(Lighting Emitting Diode)即發(fā)光二極管，它是利用固體半導體芯片作為發(fā)光材料，在半導體中通過(guò)載流子發(fā)生復合放出過(guò)剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、黃、藍、綠、青、橙、紫、白色的光。因其是壽命長(cháng)、功耗低、無(wú)輻射的節能環(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(zhù)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(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(xiàn)性疊加。因此只分析單個(gè)LED照度。
通常LED所照射的目標距離比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)光強度的光輻射。假設面元dS接受LED點(diǎn)光源S的光照，設點(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(xiàn)N之間的夾角為 ，則面元上的照度為：

LED的光強分布不是一個(gè)理想的余弦分布，該分布可以表示為：

當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對平面上某一區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)仿真可以驗證計算結果，如圖1所示，當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，根據陣列分布方式不同，可以分為面排列方式和立體排列方式。