一款新型LED台灯的设计

摘要： 为了设计一款配光简单、光照均匀的LED台灯，从抛物线的光学特性出发，详细说明了LED光源的放置位置对出光效果的影响。证明了把LED面光源放置在中心轴上焦点与抛物线顶点之间的适当位置，可以使光线均匀发散。利用抛物线的这个特性，经过多次实验把单颗LED面光源放在旋转抛物反光镜顶点与焦点之间的正确位置，在距台灯400 mm、面积为1 000 mm×1 000 mm的平面得到了均匀的光照。在总体光通量基本不变的情况下，把10个如此配光组合按一定尺寸排列成2×5分布的光源模块，能很好地达到台灯的标准配光要求。

关键词： 抛物线光学特性； 旋转抛物反光镜； LED面光源； 辐照图

引言作为新一代节能光源，发光二极管（light emitting diodes，LED）以其低成本、寿命长、色温可选以及环保节能等优点[1]，越来越广泛的被应用于照明、显示等领域。调查指出，相对于普通台灯，使用无频闪LED台灯有助于减轻眼疲劳和其他用眼不良感觉，如眼睛干涩、胀痛和眼花等[2]。由于LED 高度窄角集中的光学特性而产生的极度不均匀照明将引起瞳孔频繁调焦，容易导致眼睛疲劳和不适等症状[3]。所以，目前解决这一问题的关键是对光源进行配光[47]。LED虽然市面有售配光较好的LED台灯，但其复杂的配光系统使得台灯价格偏贵（大部分都要几百元），所以普及率并不高。该文以非成像光学[811]为基础，利用旋转抛物反光镜的光学特性是有效改善LED光线分布状况的重要途径。旋转抛物反光镜与LED光源的相对位置，极大地影响目标平面的光照分布。该文从调节它们的相对位置入手，很好地解决了LED台灯的光照均匀性问题。由于其结构简单，设计与生产成本不高，效果明显，价格便宜，相信会对保护人们的视力起到一定的作用。图1抛物线的反光特性

抛物线的反光特性光源发出的光经反光镜的反射照射到目标面，传统抛物反光镜一般都是以一条抛物线为母线绕其中心轴旋转360°的旋转体。因此，研究抛物线的反光特性就可以推知旋转抛物反光镜的反光特性。抛物线的定义：到一条直线和一个定点的距离相等的动点的轨迹叫做抛物线。这条直线叫做这条抛物线的准线，这个定点就是抛物线的焦点[1213]。抛物线反光特性如图1所示，曲线POP′为抛物线，定点为O，准线为MM′，焦点为F。P为抛物线上任意一点，坐标值为（x0，y0），PT为过P点的抛物线的切线，PN为过P点的抛物线的法线，其中PM=PF。自点A、焦点F和点B发出的光线AP、FP、BP经抛物线的P点反射后分别沿PA′、PF′、PB′线射出。抛物线方程为：y2=4fx（1）准线方程为：

3旋转抛物反光镜光源模块配光从图3（c）可以看出，单个LED对垂直距离400 mm，在400 mm×400 mm接收面内光照较强，边缘光照减弱，没有达到在1000 mm×1000 mm接收面内光照均匀的标准。采用多个旋转抛物面反射器和LED光源组合方法是解决这个问题比较有效且成本较低的途径，而组合方式直接关系到台灯的外型设计。市售台灯的形状一般是圆形或长条形，而长条形的台灯以它占空小、小桌面放置方便等优势深受广大消费者喜爱。所以，从台灯外型考虑，LED光源组合设计在50 mm×20 mm左右的面内较为合适。从成本考虑，模块中LED光源组合的数量不宜太多，以8～12组为宜。在总体光通量与图3保持基本一致的情况下，利用Tracepro光学仿真软件，把8 lm，1 mm×1 mm LED面光源与旋转抛物反射镜按图3（a）的方式组合，再把10组这种配光组合按间距为50 mm，各光轴相互平行的形式排成图4（a）所示的模块，可以达到如图4（b）所示的效果。从图4（b）可以看出，在距光源为400 mm，大小为1 000 mm×1 000 mm接收面上，基本做到了均匀照明，光能利用率也达到了86%。

4结论从抛物线的光学特性出发，证明了把光源放在中心轴的不同位置，反射光线的方向特征。说明了旋转抛物反射镜作为传统的反射镜，抛开光源放置的传统焦点位置，而把LED面光源放置在焦点与顶点之间的正确位置，得到了具有一定发散角的更加均匀的出光效果，免去了复杂的配光程序。考虑到台灯目标面1 000 mm×1 000 mm面积的光照均匀性，以及较为理想的长条形的台灯外形设计，采用2×5的LED光源模块组合进行配光，得到了符合台灯光照标准的较为均匀的照明，光能利用率达到了86%。参考文献：

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