直下式LED灯具的光学设计与研究

钱洋波

常州检验检测标准认证研究院 江苏常州 213164

LED是一种绿色光源，也是第四代照明光源，它是利用一种半导体固体作为发光材料，它是可以直接把电能转化成光能的元器件，并且具有节能、环保、体积小、寿命长等优势，广泛使用在各种指示灯、装饰灯、普通照明以及城市照明等方面。根据LED的使用功能的不同，可以分为信号灯、车用灯、液晶显示器等，根据投光方式的不同，可以分为侧入式和直下式两类[1]。侧入式的LED灯具外形超薄，安装方便等特点，但容易出现发黑发黄的情况，而直下式LED灯具一般外形较厚，安装需要一定的空间，但其LED灯具的光能利用率和光品质上都比较好，本文举例说明几款LED灯具。

1 LED面板灯

和传统的白炽灯、荧光灯相比较，LED面板灯是一款较高档的室内照明灯具，整个灯具光照匀称性好，光线柔和，有一定的缓解眼部疲劳等特点，有较好的设计空间，因此，LED灯具不仅拥有良好的照明效果，还可以给人带来美的体验。这类嵌入式LED面板灯的使用非常广泛，它可以嵌入在墙壁中，还采用悬挂的方式安装在天花板、安装体的下方，所以这类产品在室内照明灯具市场上具有强有力的发展空间。

虽然LED面板灯使用非常广泛，但仍有很大的缺点。例如厚度较大不利于在空间狭小的地方进行安装，以及照度分布不均匀。想要减少直下式LED面板灯的厚度，就要对结构进行优化设计。而想要提高LED的照度，就要设计更大角度的透镜，通过实验我们可以发现，LED阵列间距为82mm距离目标面25mm时，照度均匀性最好。所以我们在设计时要选择适合的光学透镜，同时还要注意成本，因为较大角度的透镜成本较高，同时还要对直下式面板灯的内部排列布局进行优化，以达到厚度减薄的目的。

2 LED广告灯箱

LED广告灯箱一般以不断的闪动结合停留时间并集合霓虹灯的优势在白天夜晚都可以不断的闪动，动静结合，有效的给人带来视觉上的冲击，和传统的变换灯箱和滚动灯箱的广告效果大相径庭。LED广告灯箱主要在商场、公交车站、收费站、停车场等各个地方，都得到了广泛的应用且种类繁多。另外，LED广告灯箱在使用寿命、安装、节能等方面都有较好的生产趋势。直下式LED灯箱主要有两种生产方式，一种是使用大量的低功率LED芯片实现阵列发光，而另一种方式则是采用大功率的LED加装二次透镜。但第二种方法存在很大的装配问题，很容易会造成光能的浪费，再加上当前使用的透镜一般都是圆形的，浪费了大量边缘的LED光能量[2]。

如果要解决光能浪费的问题，就要对透镜进行新的设计，改进透镜能够增加对光源的利用率，从而大大增加发光效率。利用网格划分发法可以筛选出有较高发光效率的透镜，而一次透镜相较于二次透镜有较高的发光效率，因此在广告灯箱中选择一次透镜可以取得较高的发光效率。所以在进行直下式LED广告箱的改进设计时，要选择合适的透镜以求最大的发光效率，同时还要控制生产成本，避免因为成本太高导致直下式LED广告箱的价格大幅度上涨。

3 LED黄疸光疗灯

LED灯具的应用领域不断得到延伸，在医疗领域上的光照治疗也得到了特殊的照明应用，就新生儿黄疸来说，LED黄疸光疗灯的出现成为治疗新生儿黄疸的首选光源。在医学领域上，新生儿黄疽病一般采用光照疗法，而LED黄疸光疗灯的治疗比较好、方法简单，具有安全性以及副作用小等优点，在医学临床上得到了广泛的推广使用，其中蓝光疗法的使用范围最广。

传统的新生儿黄疽光照疗法一般使用白炽灯和荧光灯等光照，但这些光照都具有使用寿命短、照明光谱不稳定和频闪等问题，更是含有对人体有危害的红外光线和紫外光线[3]。伴随着LED照明技术的不断研究深入，通过对LED光谱构造技术的研究，根据LED光照峰值波长短的不同及数量的差异，所采用4种单色LED灯，研制出一种专门用于医治新生儿黄疽的直下式LED黄疽灯，它的照明光谱与胆红素吸收光谱一致。可是LED黄疽光疗灯出现却引出一个全新的问题，由于不同的单色LED灯进行匹配，在同一个面板上进行排列时，如果新生儿身上接收到的照明光谱分布和光照程度不同，就会大大降低LED黄疽光疗灯对黄疸病的治疗效果。

想要提高这类LED黄疸灯的治疗效果，就要改进基板上四种LED灯的排布方式，从而实现LED灯的照度平衡，达到照度均匀，这样就能够使灯在各个接收面上的光谱分布均匀，这样的设计能够在一定程度上提高黄疸灯的治疗效果。

4 结语

随着LED技术的不断提高，使用范围越来越大从基础照明显示，逐步迈向医疗器械、汽车等领域的全方位发展，LED灯具的质量得到提高，性能效果逐渐提升。就好比LED面板灯、LED广告灯箱和LED黄疽光疗灯等，越来越多的光照领域都出现LED的身影，也越来越多的广告灯箱也是出现LED的身影。这三款LED灯具，根据光学设计原理为基础，对LED的基板上的多种单色LED的进行排列，使得设计得到更好的符合大众审美，可以在现有的基础上更加有效地改善照明质量和光疗效果，而直下式的LED灯具在照明的匀称性上和能量利用率上还是有很大的设计研究空间。综上所述，对直下式LED的应用形式进行设计研究，根据创新设计和应用途径上对改进基板上各种单色的LED排列方式，可以更好的进行设计研究，同时，有效地改善照明问题和生产成本，促使LED灯具朝着高效、绿色环保和健康的发展方向。