尹燾

本文從感覺量化和光學(xué)理論的角度，對使用LED點(diǎn)光源實(shí)現(xiàn)均勻照明效果的要點(diǎn)進(jìn)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(fèi)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(fèi)者對高品質(zhì)生活的追求。

而直接使用面光源模塊進(jìn)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(diǎn)光源實(shí)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(dāng)務(wù)之急。

2指標(biāo)量化

要實(shí)現(xiàn)均勻照明的視覺感受，即在燈罩平面上各點(diǎn)出射的光強(qiáng)差異無法被人肉眼所察覺。心理物理學(xué)奠基者E.H.韋伯教授在韋伯定律中指出：“最小可覺差是標(biāo)準(zhǔn)刺激的不變分?jǐn)?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(biāo)準(zhǔn)刺激B，即為刺激變化的基數(shù);定值K，即為韋伯比。進(jìn)一步調(diào)查得知：在背景亮度相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，亮度的韋伯比約為0.02。

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

3光源特性

首先對光源特性進(jìn)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(yīng)用。本研究主要針對該類型的LED燈進(jìn)行研討。經(jīng)查得知，該類型LED燈屬朗伯光源，其光強(qiáng)遵循余弦規(guī)律，即I。=I。*cosθ。

4數(shù)學(xué)模型

建立數(shù)學(xué)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(diǎn)受到該燈珠的光強(qiáng)為In;

又設(shè)觀察軸上任意一點(diǎn)至n號燈珠的法向與觀察軸的交點(diǎn)的距離為t;

根據(jù)上述朗伯光源及光強(qiáng)與距離的平方成反比的特性，

可以得出t點(diǎn)所受到的來自n號燈珠的光強(qiáng)為

則t點(diǎn)所受到的來自1～N號燈珠的光強(qiáng)總和

5曲線分析

繪制出公的曲線，取光強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)和最小光強(qiáng)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(yīng)用經(jīng)常使用的A∈（10mm，1000mm）的較大范圍內(nèi)，當(dāng)B/A=1時，能滿足韋伯比的要求，并發(fā)現(xiàn)此時光強(qiáng)波動基本穩(wěn)定在單顆燈珠的法向與觀察軸的交點(diǎn)受到該燈珠的光強(qiáng)為I。的1.95倍。

7實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上結(jié)論，用實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證效果如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)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(diǎn)光源實(shí)現(xiàn)均勻照明效果。

8結(jié)束語

本研究從感覺量化和光學(xué)理論的角度出發(fā)，摸索出一組使用LED點(diǎn)光源實(shí)現(xiàn)均勻照明效果。可供廣大照明領(lǐng)域設(shè)計人員參考。