LED照明系统的光照均匀性设计

针对液晶显示器中直下式LED (light emitting diode) 背光源边缘亮度较低的问题,本文提出了一种LED 非均匀排列提高背光源亮度均匀性的方法。

在等间距排列的基础上,通过测量单颗L ED 的亮度分布函数,计算出水平和垂直方向上的LED不等间距排列距离,并对该距离进行优化调整。

非均匀排列的LED 背光源亮度均匀性仿真计算结果表明,背光源的全屏亮度均匀性可达到90 %以上。

传统LED 背光源中,LED 在横向和纵向的排列一般是等距离的,但这样的排列会使背光源的亮度均匀性比较差,特别在LED背光源的边缘,亮度会迅速下降。

LED 等间距均匀排列时,中间区域的亮度是周围其它区域亮度的叠加,虽然边缘区域也会得到其它区域亮度的叠加,但由于LED 是点光源,亮度分布随距离的增加衰减很快,因此,边缘区域叠加的亮度分量较小,从而使LED 背光源边缘的亮度显著小于中间区域的亮度,导致全屏的亮度均匀性变差。

采用动态调光或改善背光源光学系统的特性对最终显示图像的亮度均匀性会有一定改善,但会增加背光系统的成本和复杂性。

本文从LED 的排列分布方式入手改善背光源亮度的均匀性,可提高LED 背光源边缘亮度,从而改善全屏的亮度均匀性。

在等间距排列的基础上,通过测量单颗LED 的亮度分布函数,计算出在液晶电视水平和垂直方向上的LED 不等间距排列,然后对等间距排列进行调整,并且对这种LED 排列方式的亮度均匀性进行了仿真计算和分析,结果表明,背光源的全屏亮度均匀性达到90 %以上。

1、LED 亮度分布函数LED 为点光源,它存在一定的发射角度和峰值波长,并且随着扩散范围的增大,其亮度值逐渐衰减,这些因素在非均匀性排列计算中都必须要考虑。

要得到合理的L ED 排列方式,首先要知道L ED 点光源的亮度分布函数,然后根据点光源的亮度分布函数来计算非均匀性排列间距,以期望在全屏的范围内能得到比较好的亮度均匀性。

1.1、LED 亮度分布测量以32 英寸LED 背光源设计为例,在32 英寸的LED 背光源的中心放置一颗LED (以白色L ED 为例) ,保持原背光模组光学元件不变。

均匀式照明的案例分析
均匀照明是指在设计照明系统时,使得整个灯光区域照度分布均匀,消除过强或过弱的光区,达到相对一致的亮度分布。

下面介绍两个典型案例分析。

案例一：工厂车间均匀照明
在工厂车间照明中,为了提高工作人员的工作效率和视觉保护,均匀照明显得尤为重要。

以某工厂车间为例,该车间面积约4000平方米,车间高度为8米,要求车间照度达到500lux。

为了实现均匀照明,我们选择了利用线型LED灯构建直线照明系统。

选用长为1.2米、功率为45W 的LED灯具,每4个作为一组,每组间隔8米安装。

在设计布置时,将每组灯具作为一个基本单元,按照网状分布放置,保证每个基本单元之间的照度分布尽量均匀。

最终,车间内平均照度符合要求,并能保证各处光洁度基本一致,在视觉细节上提升了工人的工作效率。

案例二：会议室均匀照明
在会议场所照明设计中,除了保证场所的实用和舒适性外,也需要考虑氛围营造作用。

会议室的照明设计需要考虑到低对比度、柔和统一的效果,同时注意不要造成直接眩光。

以某大型企业的会议室为例,该会议室面积约260平方米,要求会议室照度达到200lux。

为了实现均匀照明,我们采用了大面积散射的天花板和专业光学设计的LED灯具。

在安装时,将灯具分布在天花板各个位置,并尽量避免直射光线对于会议参会人员眼睛的伤害。

最终,会议厅内光线柔和、均匀,照光面积大、视觉舒适,达到了设计效果。

第35卷第1期2009年1月 光学技术OP T ICA L T ECHN IQ U E V ol .35No .1Jan .　2009 文章编号:1002-1582(2009)01-0074-03LED 照明系统的光照均匀性设计吴仍茂,屠大维,黄志华,赵其杰(上海大学机电工程与自动化学院,上海　200072)摘　要:随着大功率L ED 发射光强的不断提高,采用单粒LED 为光源的照明系统已能满足许多场合的照明需求。

根据非成像反射器的设计方法,研究了一种以单粒L ED 为光源的照明系统光照均匀性问题,提出了一种能实现目标平面特定区域内的照度值为常数的光反射器面形设计方法。

该方法根据目标平面上的照度分布函数建立微分方程,通过求解微分方程得到反射器面形轮廓的函数,根据该函数建立照明系统的模型,用ASAP 对该模型进行光线追迹,得到系统的光照均匀性,并进而确定适合数控加工的反射器面形数据。

关键词:应用光学;L ED 照明;照明均匀性;反射器中图分类号:O432.2 文献标识码:AIlluminative uniformity design of a LED illumination systemWU Reng -mao ,TU Da -wei ,H UANG Zhi -hua ,ZH AO Qi -jie(Co llege of M echatronics Engineering and A utomation ,Shanghai University ,Shanghai 200072,China )Abstract :With the increasing of emission intensity of hig h power L ED ,illumination system with a single LED light source can meet requirements in many fields .T he illumination uniformity of such kind of illumination sy stem with a single LED lig ht source is studied .Acco rding to no nimaging reflector design method ,a metho d of designing surface profile of the reflector which can let ir radiance of the desired area on the target plane be constant is presented .A differential equation is established with this method based on the radiance distribution functio n of the target plane ,and the function of surface profile o f the reflector is ob -tained by solving the differential equation .M odel of the illumination sy stem is constructed by ray s tracing with ASA P software .Illumination unifo rmity of the sy stem is obtained ,and da ta of the surface profile for N C manufacture is obtained finally .Key words :applied optics ;L ED illumination ;illuminative unifo rmity ;reflector0　引　言LED 是21世纪具有竞争力的新型固体光源,它具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长、可靠耐用、无污染、控制灵活等优点。

LED照明系统的光学设计优化随着科技的不断进步和生产制造水平的提高，LED照明系统已经逐渐成为人们生活中不可缺少的一种照明方式。

相较于传统的照明灯，LED灯具在光效、寿命和环保方面等诸多方面都表现出独特的优势。

但是，作为一种新型照明设备，LED 灯具也存在一些问题，其中最为显著的就是光学设计的问题。

面对这些问题，如何进行光学设计优化，是当前LED照明系统研究和生产中亟待解决的问题。

一、LED照明系统的基本原理LED灯是由LED芯片和光学器件组成的照明设备，其基本原理是将电能转化为光能。

以直观的方式来理解，LED灯采用通过芯片内的半导体材料注入电流，使其经过一系列减光、聚光、反射等处理后，发出一定的光线，并经过透镜等装置扩散或聚拢所需要的照度和光束角度。

二、LED照明系统的优点相较于传统照明灯，LED照明系统在光效、寿命和环保方面有很大的优势。

1、光效更高：LED灯在同等功率下，所消耗的电能比其他照明灯更少，同时LED灯产生的光学效率也更高。

2、寿命更长：LED灯寿命长，一般能够使用至少10年以上。

相较于普通灯泡的寿命，LED灯小幅度调整光强都不会导致寿命缩短。

3、环保节能：LED灯对环境污染小，没有汞、铅等有害物质。

LED灯节能，相较于传统照明灯在节能方面具有极大的优势。

三、LED照明系统的主要问题尽管LED灯具有很多优点，但它们还是存在一些问题。

其中最为显著的就是光学设计的问题。

1、光学效率低：由于LED芯片只能向前放射光线，因此其光学效率较低。

为了使其能够扩散和聚光，LED灯需要一定的光学器件来加工和处理。

2、光色和光温性能差：LED灯的光色和光温是由它的发热量和反射角度决定的。

因此，如果不加以处理，会导致LED灯的光色和光温不稳定，而且会存在颜色偏差。

3、折射角度范围小：由于LED芯片的尺寸较小，因此LED光束的折射角度相比传统照明灯更小，难以实现不同光角度下的温和光效。

4、光强和照度不均：如果没有进行设计，LED灯的光强和照度会存在差异，这将直接影响LED灯的亮度和照明效果。

建筑物照明系统的设计规范照明系统在建筑物中起到关键的作用，不仅为人们提供光线，还能创造舒适的环境。

因此，建筑物照明系统的设计规范显得尤为重要。

本文将主要探讨建筑物照明系统的设计规范，以确保其安全、高效和美观。

一、光的种类和选择在设计建筑物照明系统时，需要考虑所需的光的种类，例如环境光、任务光和装饰光。

环境光为整体提供照明，任务光用于特定的工作区域，装饰光则用于美化建筑物。

根据不同需求选择合适的光源，如荧光灯、LED灯或卤素灯等。

二、光照度和均匀性建筑物的不同区域对于光的要求有所不同，因此在设计照明系统时，需要充分考虑光照度和均匀性。

合理确定每个区域所需的光照度水平，并确保同一区域内的光照度均匀分布，避免出现明显的亮暗差异。

三、节能设计建筑物照明系统的节能设计对减少能源消耗和保护环境至关重要。

采用高效节能的照明设备，如LED灯，结合传感器和调光系统，可以根据环境光照度自动调整灯光亮度，提高能源利用效率。

四、色彩温度和色彩还原性色彩温度和色彩还原性对建筑物照明效果产生重要影响。

不同色彩温度的光源可以营造出不同的氛围，而色彩还原性指的是照明系统对物体颜色的真实还原能力。

根据建筑物的类型和功能，选择合适的色彩温度和色彩还原性要求。

五、光污染控制光污染对环境和人类健康带来负面影响。

为了控制光污染，建筑物照明系统的设计应遵循相关规范和标准。

合理布置照明设备，避免过度照明和光线泄漏，减少对周围环境的干扰和对星空的遮蔽。

六、安全性和可靠性建筑物照明系统的安全性和可靠性是重要考虑因素。

采用符合安全标准的照明设备和配电系统，避免短路和电气火灾风险。

同时，定期检查和维护照明系统，确保其正常运行和可靠性。

七、灯光设计和控制合理的灯光设计可以提升建筑物的美感和舒适度。

通过选择合适的照明装饰品和灯具，营造独特的氛围和风格。

此外，采用智能化的灯光控制系统，可根据不同需求自动调整灯光亮度和颜色。

八、人机工程学考虑在建筑物照明系统的设计中，应充分考虑人机工程学原理。

LED均匀照明的标准
LED均匀照明的标准是指LED灯在照明时，其光线分布应该均匀，避免出现眩光、光斑、阴影等不均匀的情况。

以下是一些常见的LED均匀照明标准：
1. GB/T 3095.3-2012《室内用LED产品能效限定值及能效等级》：该标准规定了LED灯的均匀度要求，要求LED灯的光斑直径应小于等于指定值，以确保照明均匀。

2. EN 12464-1:2007+A1:2017《照明用LED产品-通用规范》：该标准规定了LED灯的光斑要求，要求LED灯的光斑直径应小于等于指定值，并且光斑的形状应符合要求。

3. IEC 60061-1:2007+A1:2015《电气和电子设备-安全-通用要求》：该标准规定了LED灯的安全要求，包括LED灯的均匀度要求，要求LED灯的光斑直径应小于等于指定值，并且光斑的形状应符合要求。

4. ANSI/ASHRAE/IES LM-79-2015《光通量测量标准》：该标准规定了LED灯的光通量和均匀度的测量方法，要求LED灯的光斑直径和均匀度应符合指定的要求。

LED均匀照明的标准主要是为了保证LED灯在照明时能够提供均匀、舒适的光线，避免出现眩光、光斑、阴影等问题，从而提高照明效果和舒适度。

一种改善亮度均匀性的背光设计方案亮度均匀性是指光源在整个显示屏上分布均匀，每个像素点接收到的光照强度相近。

对于背光设计来说，背光模组的布局、光源的选用和光源的分布都会直接影响到亮度均匀性的表现。

1.均匀布局光源：在显示屏的背面均匀布置多个较小的光源。

这可以通过多组LED灯或小型荧光灯来实现。

同时，应注意光源之间的间距和布局的均衡性，以确保光源的辐射范围相互覆盖，避免有区域亮度过高或过低的情况出现。

2.模块化的背光设计：将背光模组划分为若干个模块，每个模块独立控制光源的亮度和开启状态。

这样可以根据显示内容和需求，有选择性地对每个模块进行光源的调整，从而实现亮度的均衡。

3.使用光学衰减材料：对于亮度过高的区域，可以在该区域上方放置较厚的光学衰减材料，如磷光材料等，以吸收部分来自光源的光线，从而减弱亮度。

这样可以在不改变光源布局的情况下，通过光学方式实现亮度的均匀分布。

4.使用光学反射镜：在背光模组的边缘或角落处，可以使用光学反射镜将光线反射回显示屏的中央区域，以增加亮度。

这样可以弥补屏幕中央亮度较低的问题，提高整体的亮度均匀性。

5.调整光源的亮度：通过控制每个光源的电流强度来调整其亮度。

可以根据显示屏的不同区域和亮度需求，有选择性地调整光源的亮度，使整个显示屏上的亮度均匀分布。

通过以上改善亮度均匀性的背光设计方案，可以有效提高显示屏的视觉效果。

然而，在实际应用中，仍需根据具体产品的需求和制造成本来进
行实施。

因此，需要在光源选择、布局设计和光学化学材料的应用上进行综合考虑和平衡，以达到最佳的亮度均匀性。

LED灯光恒定性和照度均匀性的研究随着科技的不断发展，LED灯光已成为现代照明方式中的一种主流选择。

相较于传统的照明方式，LED灯光具有节能、寿命长等诸多优点，因此被广泛应用于各个领域，包括家居、商业、景观等。

然而，在实际应用中，人们发现LED灯光存在一些问题，如恒定性和照度均匀性等。

本文就针对这两个问题进行了探讨。

一、恒定性问题LED灯光的恒定性问题指的是灯光亮度随着时间的推移而发生变化的情况。

在实际应用中，我们通常会遇到这样一个情况：明明所有的LED灯光都是同样的型号，但在使用一段时间后会发现亮度差异较大，且这种亮度变化似乎没有明显的规律可循。

针对这个问题，科学家们进行了大量的实验研究，得出了一些结论。

首先，LED灯光的恒定性问题与LED芯片的封装质量有关。

现在市面上的LED产品分为两种封装方式：表面贴装封装（SMT）和插件式封装（DIP）。

在相同的工作环境下，SMT封装的LED灯光的恒定性要好于DIP封装的LED灯光。

其次，LED灯光的恒定性还受到工作温度的影响。

在高温环境下工作的LED灯光，在使用一段时间后往往会出现亮度失控的问题。

因此，在设计和应用LED灯光时，应该充分考虑导热问题，确保LED灯光在工作时保持合适的温度。

此外，在选择LED灯光时，应该优先选用品牌知名、质量可靠的产品，避免选择不知名的、质量较差的产品。

二、照度均匀性问题LED灯光的照度均匀性指的是灯光照射到被照明物体表面时产生的光照强度分布情况。

在实际应用中，我们通常会遇到这样一个情况：在室内或室外照明时，LED灯光的光照强度不够均匀，会产生强弱不一的照明效果，影响人们的舒适感。

针对这个问题，科学家们进行了大量的实验研究，得出了一些解决方法。

首先，应该在LED灯光的设计和制造过程中，充分考虑照明需求和应用场景。

例如，在室内照明时，应该根据房间大小、明暗度要求等因素来选择合适的LED灯光数量和布局方式，使得灯光充分照亮房间，并且产生均匀的照度分布。

LED透镜在均匀照明领域的设计方法与应用摘要：随着城市化进程的加速，LED的应用越来越广泛。

作为一种新型的光源，LED有着其他光源无可比拟的优势。

LED作为光源在均匀照明领域，需要应用曲面透镜改善其光源分布，从而达到均匀照明的目的。

本文阐述了LED 透镜的设计原理，并简要分析了可用于均匀照明的LED透镜设计方法及应用。

关键词：均匀照明；二次光学设计；自由曲面LED（LightingEmittingDiode）即是发光二极管，是一种新型的绿色光源，与传统光源有着很大的区别。

随着城市建设的不断发展，LED光源在照明领域的应用范围也在不断扩大。

LED光源还具有具有效率高、寿命长、耐用性强、无污染以及控制灵活等优点，这使得其在现代社会中的需求量不断扩大。

由于LED芯片的出光为朗伯发光体分布，不适合直接应用，需要对其进行光学系统处理后才能应用。

但很多时候，LED光源都无法满足照明灯具的要求，因此，对LED光源进行二次光学设计十分必要。

传统的设计方法设计周期很长，对设计人员的要求也比较高。

常用的设计方法介绍微分方程法微分方程法的设计基础理论是剪切法。

就是通过建立微分方程计算设计值，利用计算值建立自由曲面模型。

主要考虑的是建立空间坐标系，把LED光源当做空间坐标系的原点，选用球坐标系的表示方法来表示曲面上的点，用直角坐标系的表示方法来表示照明面上的点。

同时设定入射光线、法向量等。

从而可以推导出照射平面上的点和自由曲面上的点之间的关系式。

由于光的传播遵守能量守恒定理，假设当没有能量损失时，光源发出的能量和照明面接收的能量在数值上是相等的，这样就可以建立能量守恒的表达式，从而得出折射光的角度与与自由曲面上的点的关系式，进而得出自由曲面上的点和照明面上的点的关系式，通过数学微分知识可以得出微分方程式，在利用数值求解法求出相关数据，根据求出的数据建立照明系统模型。

划分网络格法划分网格法的主要设计基础是能量守恒原理。

就是在不考虑能量损失的前提下，按照光源发出的能量和自由曲面接收的能量相等的规则，将光源和照明面进行网格划分，通过照明面上的点和光源的映射关系，再利用迭代计算法就算出光学系统中的各个数据点的坐标，进而计算出映射点的法线矢量，以确定透镜表面的模型。