摘 要 鉴于当下的LED照明设备的发光元件的材料选取不当和工艺不合格，结构和配光设计不合理，造成LED使用寿命的衰减和照明效果的恶化，照射效果较差。着重进行二次配光设计，提升LED照明设备使用的稳定性和舒适性，提升LED作为新型照明设备的实用价值。
关键词 大功率LED；单片机；配光设计；3D绘图
中图分类号：TM923 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）20-0066-04
高效大功率LED照明设备是当下热门的项目，其具有的高发光效率，低能耗，光线颜色变化范围广的优点受到很多人的关注和提倡。但是当下普遍使用的大功率LED照明设备只是简单的将LED灯珠至于反光面焦点处，进行极简单的光学聚焦。没有能够充分考虑到光源本身发光性质和相互之间的光学作用，致使效率降低和光线质量的恶化。本文LED的二次配光设计在此基础上，进行深入研究和仿真，充分提升设备性能。
1 50W半导体照明灯具基本结构
1.1 设备技术指标
大功率LED阵列总功率50W，体积20*20*10cm。安装高度2.5-3m，照射面积6*6m。
1.2 设备基本结构
50W半导体照明灯具主要部件：发放LED阵列、驱动电路、二次配光透镜、高效散热构件、防尘挡板。根据现有的照明灯具的外形和构型，以及散热、配光要求，将设备的初步设计如下（图1）：灯具的上部有优化散热构件组成，这个部分与LED所在的铝制基板相连，然后是按照阵列排布的LED阵列。然后在其表面设有二次配光设计的透镜。
图1 整体设计结构图
2 设计分析
2.1 光源选择
1）LED点光源的发光效率。2）光源的工作参数。3）LED点光源光强分布情况。
2.2 灯具的散热设计
大功率LED需要进行热管理，这极大地增加了LED的成本。本次设计使用液态金属（例如钠金属、或者是水银）作为从LED基板处的热量传输介质，利用金属的良好的导热性，快速的将热量传导出去，在通过散热片向外界散失，提升散热性能（图2）。
图2 散热流程图
2.3 配光设计
使用Matlab软件辅助分析配光设计：
图3 Matlab应用软件绘制3D图视角
光学布置和二次光学配光设计分析：
为更好地做好光学布置及其光学环境状况，设计了上述器件来检测配置环境下的现场的光学情况。在设计中引入了针对几种大功率LED灯的布置和二次光学配光进行组合研究，通过检测设备检测到现场的光学情况，并通过数据处理得到相关情况下的光照情况报表，并再以三维效果图进行呈现。以下的几种方案便是对研究实施的几个案例，并在实验情况下完成。
单侧组合大功率LED布置：
将大功率LED灯具进行第一种组合，在本组合中，所有的LED灯具按照一条线性方式组合（如图4）。这样组合从主观意向里他的配光情况是在靠近这条组合线上的光照情况是较为合理的，但是在其他的区域的发光情况是较为差的。
图4 单侧组合大功率LED布置图
在研究中，我们通过组合这样的大功率LED布置后，通过设计的检测系统检测到现场的发光状况。通过excel报表的形式呈现出来（如表1），可以直观发现在靠近表的左侧检测到的发光情况较之为最右侧的发光情况较强。
表1 大功率LED布置单侧强照射生成现场光照参数表
注：X、Y二维空间5m高度的光照检测值 单位：V
3.05 3.22 3.28 3.95 3.00 3.63 2.78 2.28 1.72 1.05
3.60 3.85 3.42 3.80 3.79 3.65 2.92 2.42 2.35 1.60
3.69 3.21 3.67 3.03 3.07 3.56 3.17 2.67 1.71 1.69
3.51 3.74 3.75 3.66 3.80 3.58 3.25 2.75 2.24 1.51
3.74 3.64 3.80 3.88 3.88 3.87 3.30 2.80 2.14 1.74
3.98 3.72 3.49 3.73 3.21 3.07 2.99 2.49 2.22 1.98
3.10 3.42 3.93 3.19 3.94 3.41 3.43 2.93 1.92 1.10
3.33 3.94 3.63 3.60 3.50 3.15 3.13 2.63 2.44 1.33
3.18 3.51 3.40 3.73 3.69 3.80 2.90 2.40 2.01 1.18
3.09 3.77 3.36 3.55 3.14 3.16 2.86 2.36 2.27 1.09
3.32 3.20 3.24 3.57 3.74 3.60 2.74 2.24 1.70 1.32
3.69 3.64 3.75 3.43 3.21 3.66 3.25 2.75 2.14 1.69
3.52 3.22 3.41 3.90 3.71 3.73 2.91 2.41 1.72 1.52
为更为明显地呈现出情况，通过matlab3D绘图呈现出现场单侧线性布置情况的发光效果图（如图5）。发现在布置LED灯具一侧发光较为明显，并在线性上发光情况基本在变化范围之内，在偏离线心外发光逐渐变弱。
图5 大功率LED布置单侧强照射生成现场光照3D效果图
中心组合大功率LED布置：
将大功率LED灯具进行第二种组合，在该组合中，LED灯具为单一方式组合（如图6）。这样组合配光情况是在以该LED为中心向四周辐射，在中心处的发光强度较之为外围的发光情况是较强的，在偏离LED中心区域的发光情况是逐渐减弱的。
图6 中心组合大功率LED布置
通过报表可以直观地向我们量化显示发光情况。
表2 大功率LED灯布置中心照射生成现场光照参数表
注：X、Y二维空间5m高度的光照检测值 单位：V
0.52 0.65 0.14 0.59 0.36 0.01 0.90 0.61 0.11 0.73
0.05 1.40 1.75 1.68 1.26 1.75 1.19 1.02 1.96 0.24
0.99 1.60 2.80 2.63 2.81 2.51 2.61 2.20 1.25 0.90
0.22 1.26 2.07 3.66 3.80 3.58 3.66 2.05 1.93 0.90
0.53 1.92 2.50 3.88 4.24 4.44 3.73 2.90 1.88 0.91
0.45 1.16 2.89 3.73 4.94 5.12 5.12 2.99 1.99 0.10
0.52 1.65 2.26 3.19 4.82 5.10 5.00 2.18 1.83 0.79
0.83 1.29 2.42 3.60 4.99 5.40 4.54 2.29 1.26 0.04
0.56 1.79 2.32 3.73 3.69 3.80 3.80 2.01 1.22 0.96
0.46 1.14 2.93 3.55 3.14 3.16 3.16 2.02 1.04 0.49
0.57 1.04 2.97 2.58 2.31 2.74 2.10 2.62 1.54 0.24
0.23 1.74 1.22 1.93 1.40 1.05 1.19 2.00 1.82 0.92
0.07 0.38 0.54 0.97 0.77 0.99 0.56 0.81 0.16 0.01
通过对报表的分析，再经过Matlab的分析处理，可以更为直观观察到在光照环境内，在LED的中心处的发光是较强的，并向四周逐渐变弱（如图7）。通过图示的两个角度下的观察，可以发现在系统内的光照具体情况。
图7 大功率LED灯布置中心照射生成现场光照3D效果图
二维优化组合情况大功率LED布置：
在本案例的分析中，应用的组合情况是在二维空间内对大功率LED进行优化组合，按照面心二维进行组合（如图8），在该情况下，LED灯具的组合情况按照串并结合进行组合电路。该组合可以是发光环境内在各个角度上的光照情况稳定，这样举例应用于学校、办公、商场等环境内，且其环境需要光照情况较为均匀。因此需要检测系统检测环境内的光照组合下是否能达到光照情况的要求，并且是否发光情况趋近均匀。
图8 二维优化组合情况大功率LED布置
表3 LED灯分布均匀式生成现场光照参数表
注：X、Y二维空间5m高度的光照检测值 单位：V
3.05 3.22 3.28 3.95 3.00 3.63 3.97 3.72 3.59 3.36
3.60 3.85 3.42 3.80 3.79 3.65 3.55 3.49 3.07 3.08
3.69 3.21 3.67 3.03 3.07 3.56 3.79 3.20 3.23 3.67
3.51 3.74 3.75 3.66 3.80 3.58 3.62 3.19 3.17 3.22
3.74 3.64 3.80 3.88 3.88 3.87 3.15 3.56 3.25 3.96
3.98 3.72 3.49 3.73 3.21 3.07 3.56 3.89 3.37 3.05
3.10 3.42 3.93 3.19 3.94 3.41 3.79 3.53 3.21 3.27
3.33 3.94 3.63 3.60 3.50 3.15 3.70 3.24 3.59 3.61
3.18 3.51 3.40 3.73 3.69 3.80 3.65 3.83 3.56 3.57
3.09 3.77 3.36 3.55 3.14 3.16 3.93 3.98 3.02 3.68
3.32 3.20 3.24 3.57 3.74 3.60 3.16 3.09 3.00 3.88
3.69 3.64 3.75 3.43 3.21 3.66 3.86 3.53 3.44 3.37
3.52 3.22 3.41 3.90 3.71 3.73 3.92 3.68 3.99 3.02
在该配光方案下，通过对所测参数进行处理，通过Matlab的3D绘图得到其三维发光参数。可以通过该图直观发现光照趋近平稳，在系统内变化情况也稳定。可以假想在一个大的区域环境内，可以得到该光照检测效果会更为明显，当检测量间隔无限小时，这样的效果区域平滑，更为明显地呈现光照的变化情况如图9。
图9 LED灯分布均匀式生成现场光照3D效果图
使用透镜进行二次配光设计：
菲涅尔透镜原理：菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的。镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的。
其原理与放大镜类似却又有所不同。放大镜是利用光的折射原理放大成像，折射后的路线依然是直线。在玻璃表面布满了细小的同心圆条纹，那么当光线通过透镜时，就会绕过其间的条纹弯曲变形，产生衍射现象。
将LED进行排布，形成二维分布的LED阵列，这样可以有效的进行第一次配光设计，得到光线整体上的均匀分布。然后，在LED阵列之前进行加装一片菲涅尔透镜，对光线进行二次配光，形成光线均匀分布的良好效果，菲涅尔透镜结构和原理见下图。
图10 菲涅尔透镜结构和效果
图11 菲涅尔透镜二次配光LED布置
在研究中，我们通过组合这样的菲涅尔透镜布置后，通过设计的检测系统检测到现场的发光状况。通过excel报表的形式呈现出来（如表4），可以直观发现整体的照射效果很理想，光线情况很是均匀柔和。
表4 LED灯加菲涅尔透镜二次配光后成现场光照参数表
注：X、Y二维空间5m高度的光照检测值 单位：V
3.05 3.22 3.28 3.95 3.00 3.63 3.97 3.72 3.59 3.36
3.60 3.85 3.42 3.80 3.79 3.65 3.55 3.49 3.07 3.08
3.69 3.21 3.67 3.03 3.07 3.56 3.79 3.20 3.23 3.67
3.51 3.74 3.75 3.66 3.80 3.58 3.62 3.19 3.17 3.22
3.74 3.64 3.80 3.88 3.88 3.87 3.15 3.56 3.25 3.96
3.98 3.72 3.49 3.73 3.21 3.07 3.56 3.89 3.37 3.05
3.10 3.42 3.93 3.19 3.94 3.41 3.79 3.53 3.21 3.27
3.33 3.94 3.63 3.60 3.50 3.15 3.70 3.24 3.59 3.61
3.18 3.51 3.40 3.73 3.69 3.80 3.65 3.83 3.56 3.57
3.09 3.77 3.36 3.55 3.14 3.16 3.93 3.98 3.02 3.68
3.32 3.20 3.24 3.57 3.74 3.60 3.16 3.09 3.00 3.88
3.69 3.64 3.75 3.43 3.21 3.66 3.86 3.53 3.44 3.37
3.52 3.22 3.41 3.90 3.71 3.73 3.92 3.68 3.99 3.02
在该配光方案下，通过对所测参数进行处理，通过Matlab的3D绘图得到其三维发光参数。可以通过该图直观发现光照趋近平稳，在系统内变化情况也稳定。可以假想在一个大的区域环境内，可以得到该光照检测效果会更为明显，当检测量间隔无限小时，这样的效果区域平滑，更为明显地呈现光照的变化情况。
图12 菲涅尔透镜二次配光后现场光照3D效果图
2.4 设计结果分析
相比于之前的一次配光设计，采用菲涅尔透镜的二次配光后的光照分布情况变得更加均匀，相应的光线的实际照射效果就是光线变得更加均匀柔和，被照射的物体的视觉效果较理想。
使用菲涅尔透镜，相比于普通的透镜，用料减少使得整体的质量减轻，便于施工的，节约资源。
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作者简介
王克权（1962-），男，讲师，主要从事应用物理学的教学与研究工作。