哪种小说阅读器看书全部免费:LED照明灯光重影探究

摘要：本文简单地介绍了照明中“重影”出现的原因，分析了影响“重影”的各种因素之间的关系，运用理论进行计算与实测分析了影响“重影”的原因。从人眼对光影感触的角度开始入手，提出解决照明中“重影”的优化方案。

 

1. “重影”的出现

       我们这里所说的“重影”，是指明视觉中，人眼所看到的双重影像，其中一列稍浅，一列稍深。LED与传统的光源有所不同，关键在于LED的发光面很小，甚至可以认为是点光源。LED节能环保，是未来照明的大趋势，但点光源带来的“重影”，却成了LED从业者面前的一道难题。那么，我们来看看“重影”是怎么产生的，又有什么办法可以解决。
       点光源照射到物体会出现一个与之对应的影子。当点光源之间存在一定的距离，那么所产生的影子就不会完全重叠，不重叠的部分略显浅色,有重叠的部分略深。如果是多个点光源，同样按一定间隔排布，就会出现多个重影，影子由深到浅向外延伸。
      “重影”并不是随机存在的，而是根据光源与被照物之间的位置客观存在的。点光源之间的距离以及光源与被照物的距离就决定了“重影”的位置。
       假设被照物尺寸大于LED间距，其关系如下图。

     定义两个LED光源之间距离为d，光源与被照物距离为h，光源距离投影面为L，重影尺寸大小为s。简化上面的模型。

     下面，我们来谈论下LED间距，光源与被照物距离，被照物大小等等因素对重影产生的影响。从上图，我们可以直观地知道，LED间距d和重影大小s成相似三角形关系。那么，我们可以得到关系：

      重影的大小s与LED间距d、光源与被照物距离h、光源距离投影面距离L有关系，与被照物的大小没有关系。当然，前提是被照物不能过小，过小的情况要重新讨论。
下表给出，它们之间的关系：

综合上述情况，当L一定的时候，我们可以得到一下结论：

1. LED的间距d越大，重影的大小s越大；
2. 光源与被照物距离h越小，重影的大小s越大；
3. 重影的大小s与被照物的大小没有关系。

      这里，被照物与光源的距离h，我们是不能决定的。我们能决定的仅仅是LED的间距d。所以在考虑更好地处理重影时，首先需要考虑的是LED的间距。被照物与光源的距离h与重影的大小s的关系，也告诉了我们，路灯灯管等照明灯具距离被照物体比较远，所以重影不明显，但不是没有重影，仅仅是人眼不能分辨。（后面会讲人眼分辨的问题）

1. “重影”情况比较（理论与实测）

下面我们将对“重影”的情况进行实测，以得到实际中较为理想的状况。
以6070为例，首先取两颗6070作为光源，固定在同一高度，两个LED之间的距离可调。被照物放置在光源下方，观测重影大小。具体情况如下:

1. LED间距可调，分别取10mm、15mm、30mm作测量。
2. 固定LED光源于离地面高约400mm处，与台灯光源高度相近。
3. 被照物离地面高约130mm，与光源距离270mm。比例约为1：2.
4. 按照上面给出的公式可以计算出重影的大小。

 
我们进行了实测，实测结果如下： 不难看出，实测的结果与计算结果完全吻合。重影的大小与LED的间距有直接关系，与被照物的高度也有直接的关系。那么，如何减轻重影的影响，使LED台灯达到人眼所能接收的程度呢？LED的间距取多少才合理？

1. “重影”的解决办法与困境

下面，集中讨论如何可以减轻“重影”的影响。
1）人眼的分辨力
首先，我们从人眼的角度开始入手，看人眼对影的分辨力有多高。
根据瑞利判据，有：


设人眼瞳孔D=4mm，明视距S=250mm，波长取最敏感的波长λ=550nm，计算可以得到：

在明视距250mm处，人的眼睛最小可分辨力为0.042mm。
按照人们的使用习惯，在台灯下工作，笔杆尖一般在离桌面10mm处。在理想的情况下，我们大概可以估算出，LED的间距为多少的时候，我们可以接受。

台灯光源高400mm，人眼分辨力0.042mm,被照物于10mm处。我们可以得到：

      从上述的估算可以得到LED可接受的最大间距为1.6mm。如果要求更严格，情况更复杂的话，要求的间距将远远小于1.6mm。
      这里其实不仅仅是对两个LED的间距要求，实际上是要求整个发光面的大小不能大于1.6mm，多个LED需要考虑的是最大的距离。然而，大功率芯片本身的芯片大小已经是1mm，除非是用单个LED，不然，消除“重影”就是不可能实现的。
       那么对于点光源来说，“重影”就是无解，只能是尽量地减少，不能消除。
 
2）面光源的优势

下面我们来看一下，面光源是如何减少重影的。
根据瑞利判据，两点亮度相当，其相交部分亮度不低于峰值的75%，那么可以认为是不能分辨的。
如果我们将面光源理解成无限多个无限小的点光源，我们就可以知道，不是面光源没有重影，只是它们是连续变化，人眼无法分辨，才认为是没有重影。
 
3）点光源的困境
        借鉴面光源的经验，我们可以使用磨砂玻璃，使LED光源尽量地接近面光源。但是磨砂玻璃的缺点就是出光效率过低。大功率LED的发光效率问题是最大的难题，加上磨砂以后，效率就更低了。
而且为了增加亮度，我们不得不加大功率，使用更多的LED，接下来的问题又出现了，成本增加，散热难以解决。
        那么，如何才能达到既提高出光效率，又能减少“重影”？
 
4、“重影”现象的优化
       既然我们可以将磨砂面理解成无限小的点光源。那么，在介于磨砂面与光面之间，在权衡光学效率与“重影”的影响之间，我们可以找到一种平衡。
珠面透镜就是一种较好的选择。
        在平面镜上面分布大量的尺寸极小的半球，可以起到减轻“重影”，又不降低出光效果，其原理如下图。


        珠面小半球的作用就是使光束再次散射，只要距离足够，每个小半球都可以认为是一个点光源，如果小半球可以做得足够的小，并且每一点的出光相近，是完全可以满足人眼的最小分辨力的，重影也可以变得连续起来，从而为人们所接受。
       在这里，因为没有具体的试验数据，所以，小球的半径多少才能满足要求还不能确定。但可以说，应该在1.6mm这个量级，甚至更小。这个留待以后的验证。
相关的理论可以参考“复眼”的设计。
 
5．结语
        关于LED照明灯光重影这个问题，由于状况很多，影响的因素也很多。LED的灯距、多颗LED灯之间的排布、亮度的均匀性，所使用的器件等等都会直接地影响到“重影”。要彻底消除LED灯具的“重影”，除非使用单颗大功率配合光学透镜，不然基本上不可能消除。磨砂散射面能起到效果，但也带来出光不良等后果。借助精细的光学设计，如珠面透镜等或者能在出光与重影之间找到一个新的平衡。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
附图：下图为被照物较LED的间距小的情况。影子会分开，不叠加。
当照明灯具间间距较大时，分开的影子就会出现。