LED照明灯具亮度问题的研究与提高方案[1]

　　引言

　　随着世界经济的飞速发展, 照明作为日常生活 中所不可缺少的部分, 成为了世界各国的一项重要 的能源消耗。众所周知用LED 代替白炽灯作为照明 光源, 被誉为继爱迪生发明白炽灯之后, 在照明领 域, 人类的又一大发明。1999 年9 月国家经贸委印 发了5/ 中国绿色照明工程0 实施方案6, 旨在我国发 展和推广高效照明器具, 逐步替代传统的低效照明 光源, 节约照明用电, 建立优质高效、经济舒适、安全 可靠、有益环境和改善人们生活质量、提高工作效率 的照明环境, 以满足国民经济各部门和人民群众日益增长的对照明质量、照明环境的需要。当然, 要满 足对照明质量和视觉环境条件的更高要求, 不能靠 降低照明标准来实现节能, 而是要通过充分运用现 代科技手段提高照明工程设计水平和方法, 提高照 明器材效率来实现。传统的白炽灯、荧光灯显然不 能满足使用要求, 而发光效率较高的金属卤化物灯 和高压钠灯不适合于普通照明。发光二极管(Light Emitting Diode ,LED) 是一种半导体固体发光器件, 具 有寿命长、低耗等独特优势, 起到环保、节省能源的 作用, 使得LED 光源具有光明的前景。但是, 由于在 某些场合, LED 的亮度达不到要求, 因此, 如何来提 高LED 照明亮度迫在眉睫。

　　1 提高LED照明亮度的方案

　　1. 1 亮度的概念

　　为了表征发光面在不同方向上的光学特性, 引入亮度的概念。光源表明一点处的面元在给定方向上的发光强度dA 与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积的比值称作光源在此方向上的亮度:

　　1. 2 利用安装旋转抛物面反射体来提高亮度

　　1. 2. 1 抛物面的光学性质

　　旋转抛物面反射体就是我们通常所说的抛物面反射体, 它是抛物线绕其对称轴旋转而得到的空间曲面。图1 所示为旋转抛物面沿对称轴截开所得的抛物线。

　　设该抛物线的方程为

　　Y2= 2px ( 2)

　　其主轴为x 轴, 焦点坐标为F( p2, 0) , 在抛物线上任取一点A, 设其横坐标为x0 , 则其纵坐标为y0=2px0 , 即A 点坐标为A( x0 , 2px0 ) 。在式中对x求导可得该抛物线在A 点的切线斜率, 即

　　设此光线经抛物面反射后的反射光线的斜率为k2 , 由反射定律可知入射角相等, 故由直线方程的性质有

　　此式说明反射光线是平行于x 轴的, 这也说明 了抛物线的重要光学性质, 即从焦点出射的光线经 抛物面反射后, 反射光线是平行于抛物面的对称轴。

　　1. 2. 2 LED和抛物面反射体

　　前已述及, 当光从抛物面焦点出射时, 其在抛物 面上的反射光线将是平行光。由于LED 有两个引线 架, 因此不可能把整个LED置于反射体内, 故实际中 采用的是有洞的抛物面, 以方便放置LED, 同时有利 于节约材料、降低成本, 采用图2 所示的有洞抛物 面反射体, 将LED部分插入反射体内, 所得到的系统 结构见图2。

　　LED插入反射体的深度是一个重要参数, 它涉 及到整个系统的纵向长度及法向光强的提高。将 LED 前端环氧树脂球面顶点与抛物面入射端的距离 定为插入深度R, 规定球面顶点在入射端左边时, R 为正, 反之为负。通过移动反射体与LED 的相对位 置, 通过测试仪器来测试光的强度和亮度, 得到了一 个最佳的插入深度。

　　该方案的优点: 能有效的提高LED 照明灯具的 亮度。

　　缺点: 增加了LED 照明灯具的成本。