CN114017751A - 一种高照度均匀性led诱虫灯及其设计方法 - Google Patents

一种高照度均匀性led诱虫灯及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高照度均匀性的LED诱虫灯及其设计方法，包括：LED封装器件，电路板，所述LED封装器件通过电子元件表面贴装工艺贴装在经过排列设计的电路板的相应位置上；其中，LED封装器件在电路板上的纵横距离分布方式遵从区域性的等比列函数分布方式。该LED诱虫灯的通过使用等比例函数的方式，对电路板上的LED封装器件的位置进行优化，使LED诱虫灯在照射的有效范围内其照度均匀性有了显著提高，该LED诱虫灯避免了诱虫灯由于照度不均匀带来的有效照射范围较小的问题。

Description

一种高照度均匀性LED诱虫灯及其设计方法
技术领域
本发明涉及照明领域，特别涉及一种高照度均匀性的LED诱虫灯及其设计方法。
背景技术
LED具有高效，节能的优势，进年来其在照明领域已经得到了越来越广泛的应用。LED封装器件中，由于蓝光LED芯片为朗伯体发光，这造成使用LED封装器件的灯具很难获得空间照度均匀的效果。目前照明行业多从灯具角度解决该问题。
1.在灯具内使用匀光板，但该方法造成光能量损失25-30％。同时使灯具厚度在15cm以上，小于该厚度，匀光板的效果将大大降低。
2.使用光线侧入式的方法，应用导管板与匀光板的方式，但该方法光能量损失在50％以上，且由于空间的限制，灯具照度难以提高。
3.在LED封装器件的表面安装扩束透镜该技术被广泛应用于LCD背光行业。但该方法适用于在近场获得高的照度均匀性，而在远场的应用中(如诱虫灯领域)照射空间存在照度不均匀的问题。
以上的三种方法为提高LED灯具照度均匀性常见方法，但均存在光能量损失较大从而导致灯具耗能增加的问题。
如果能从LED封装器件的角度以及器件在电路板上的分布入手改善灯具的照度分布均匀性，将使LED灯具更加节能，且制造成本也有望降低。所以在学术领域Liu、NguyenT.Tran等人应用蒙特卡洛光线追踪来进行计算机数值模拟，研究LED封装器件中荧光粉浓度、位置对光效和光均匀性等性质的影响。但是，这些研究有以下局限性。第一，对封装内部结构中的影响因素分析不够；第二，这些研究大都集中在对光效的分析，忽略了对照度分布均匀性的分析。
发明内容
本发明的目的是为解决上述LED灯具在非照明领域的技术问题，提供一种高照度均匀性LED诱虫灯及其设计方法。
本发明的具体技术方案如下：一种高照度均匀性LED诱虫灯，包括：
LED封装器件，电路板，所述LED封装器件通过电子元件表面贴装工艺贴装在经过排列设计的电路板的相应位置上；
其中，LED封装器件在电路板上的纵横距离分布方式遵从区域性的等比列函数分布方式。
进一步的，将电路板的面板区域分为4个区域或9个区域，分别设置各个区域的LED灯的数量和位置。
根据本发明的另一方面，提出一种高照度均匀性的LED诱虫灯设计方法，包括如下步骤：
步骤1、设计LED封装器件在电路板上的布局位置，使得每个LED封装器件的纵横距离分布方式遵从区域性的等比列函数分布方式；
步骤2、使用实体建模配合蒙特卡洛光线追踪计算的方法进行模拟设计，以得到LED诱虫灯在空间的照度分布，并在模拟结果中不断的优化，最终得到LED封装器件在电路板上的纵横排列方式，使LED灯具的照度更加均匀。
进一步的，LED封装器件在电路板上的纵横距离分布方式遵从区域性的等比列函数分布方式。电路板的外形为长方形，尺寸为长a，宽b，需要贴装的LED封装器件的数量为n行，m列，则由电路板四个直角中的其中一个为坐标原点，第一行的第一颗LED封装器件与第二颗LED封装器件的中心距离为a1，第一行的第二颗LED封装器件与第三颗LED封装器件的中心距离为a1·q1,以此类推，第一行的第(m/2)-1颗与第m/2颗LED封装器件的中心距离为a1·((m/2)-1)·q1,其余LED封装器件的间距可以通过电路板长的中心，即电路板的a/2处镜像得到，同时a1与q1满足(2a1·(1-q1)m/2)/(1-q1)≤a,其中a1∈(a/1.85m,a/(1.15m)),q1∈(1,2)。
进一步的，LED封装器件在电路板上的纵横距离分布方式遵从区域性的等比列函数分布方式。电路板的外形为长方形，尺寸为长a，宽b，需要贴装的LED封装器件的数量为n行，m列，则由电路板四个直角中的其中一个为坐标原点，第一列的第一颗LED封装器件与第二颗LED封装器件的中心距离为b1，第一列的第二颗LED封装器件与第三颗LED封装器件的中心距离为b1·q2,以此类推，第1列与第(n/2)-1颗LED封装器件与第n/2颗LED封装器件的中心距离为b1·((n/2)-1)·q2,其余LED封装器件的间距可以通过电路板宽的中心，即电路板的b/2处镜像得到，同时b1与q2满足(2b1·(1-q2)n/2)/(1-q2)≤b,其中b1∈(b/1.75n,b/1.15n),q2∈(1,2)。
进一步的，更优化的，电路板的外形为长方形，尺寸为长a，宽b，需要贴装的LED封装器件的数量为n行，m列，则由电路板四个直角中的其中一个为坐标原点，第一行的第一颗LED封装器件与第二颗LED封装器件的中心距离为a11，第一行的第二颗LED封装器件与第三颗LED封装器件的中心距离为a11·q11,以此类推，第一行的第(m/2k)-1颗LED封装器件与第m/2k颗LED封装器件的中心距离为a11·q11 (m/2k)-2。第一行第m/k颗LED封装器件与第(m/k)+1颗LED封装器件的中心距离为a21，第一行第(m/k)+2颗LED封装器件与第(m/k)+3颗LED封装器件的中心距离为a21·q21，以此类推，第(m/2)-1颗LED封装器件与第m/2颗LED封装器件的中心距离为a21·q21 (m/2-m/2k)-1，其余LED封装器件的间距可以通过电路板宽的中心，即电路板的b/2处镜像得到，同时m、k、a11、q11、a21与q21满足m为偶数，k为大于1的自然数，m/2k为大于2的自然数，[(2a11·(1-q11)(m/2k)-1)/(1-q11)]+[(2a21·(1-q21)(m/2-m/2k))/(1-q21)]≤a,同时a11、a12∈(a/1.5m,a/1.035m)，q11、q12∈(1,2)。
进一步的，更优化的，电路板的外形为长方形，尺寸为长a，宽b，需要贴装的LED封装器件的数量为n行，m列，则由电路板四个直角中的其中一个为坐标原点，第一列的第一颗LED封装器件与第二颗LED封装器件的中心距离为b11，第一列的第二颗LED封装器件与第三颗LED封装器件的中心距离为b11·q12,以此类推，第一列的第(n/2k)-1颗LED封装器件与第n/2k颗LED封装器件的中心距离为b11·q12 (n/2k)-2。第一行第m/2k颗LED封装器件与第(m/2k)+1颗LED封装器件的中心距离为b21，第一行第(m/2k)+2颗LED封装器件与第(m/2k)+3颗LED封装器件的中心距离为b21·q22，以此类推，第(m/2)-1颗LED封装器件与第m/2颗LED封装器件的中心距离为b21·q22 (m/2-m/2k)-1，其余LED封装器件的间距可以通过电路板宽的中心，即电路板的b/2处镜像得到，同时n、k、b11、q12、b21与q22满足k为大于1的自然数，m/2k为大于2的自然数，[(2b11·(1-q12)(n/2k)-1)/(1-q12)]+[(2b21·(1-q22)(n/2-n/2k))/(1-q22)]≤b,同时b11、b12∈(b/1.5m,a/1.035m)，q12、q22∈(1,2)。本发明中，利用k作为一个修正补偿系数，当使用软件模拟照度均匀性时，会发现单一的等比列函数是无法得到较高的照度均匀性，特别是在灯的发光较小的时候，所以本发明特别通过k引入另一个等比列函数。
有益效果：
本发明由LED封装器件的排列方式入手，使用实体建模配合蒙特卡洛光线追踪计算的方法进行模拟计算，得到了优化的LED封装器件在电路板上位置的优化排布，提高了LED灯具的照度均匀性。可获得光源排布较稀疏，照度均匀性高，且成本低廉，安装简单方便的LED诱虫灯。其相较普通的诱虫灯的益处为，本发明的诱虫灯具有更高的能效以及更低廉的制造成本。
附图说明
图1为普通LED封装器件在电路板上的排布示意图；
图2为图1所示的LED封装器件排布方式对应的照度均匀性模拟结果；
图3为间距为等比函数排放的LED封装器件在电路板上的排布示意图；
图4为图3所示的LED封装器件排布方式对应的照度均匀性模拟结果；
图5为间距为等比函数排放的LED封装器件在电路板上的排布示意图；
图6为图5所示的LED封装器件排布方式对应的照度均匀性模拟结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1，对于常规的LED诱虫灯的设计，是在宽为400mm，长为500mm的电路板101上均匀的排布LED封装器件201，这样的排布使得灯具的照射效果是靠近灯具中心部分的照度高，而离中心的距离越远则照度急剧降低。通过使用如图1的方式进行建模，并使用蒙特卡洛光线追踪计算的方法进行模拟，得到如图2所示的等度均匀性的模拟结果，由结果的数值分析可以得到，在模拟的区域范围内最小照度值除以该区域的平均照度值得数值为0.427，而该区域最小照度值除以该区域最大照度值的结果为0.326。由最终的数值可见，在灯具有效照射范围内，其照度均匀性是较差的。
实施例2
如图3，本发明使用了等比函数的方式对同样尺寸的LED电路板101进行排布，所述电路板的长a为500mm，宽b为400mm，以电路板左下角的直角为坐标原点，n＝16，m＝18，a1＝15mm，q1＝1.075，b1＝13.25mm，q2＝1.077的方式排布LED封装器件201，这样中间较为稀疏，而边缘较为紧密的排布，有效补偿了灯具边缘照度低而中心照度高的缺点。通过使用如图3的方式进行建模，并使用蒙特卡洛光线追踪计算的方法进行模拟，得到如图4所示的照度均匀性的模拟结果，由结果的数值分析可以得到，在模拟的区域范围内最小照度值除以该区域的平均照度值得数值为0.834，而该区域最小照度值除以该区域最大照度值的结果为0.687。由最终的数值可见，使用该方式对灯具的LED封装器件的排列方式进行改进以后，其有效照射范围内的照度均匀性有了明显提高，这对于扩大灯具诱虫的有效范围有着巨大的优势，同时有利于提高灯具的能效，同时由于这样做可以不用使用扩束透镜或扩散板等配件就可以提高灯具的照度均匀性，这是在配件上节省了成本，同时添加以上配件会造成光能量的损失，从而使灯具的耗电量增加，这是从使用成本上降低了灯具的成本。
实施例3
如图5，使用了分区域的等比函数的方式对同样尺寸的LED电路板101进行更加优化的排布，所述电路板的宽b为400mm，长a为500mm，以电路板左下角的直角为坐标原点，n＝16，m＝18，a11＝13.55mm，q11＝1.075，a12＝26.57mm，q12＝1.036，b11＝12.57mm，q12＝1.065，b12＝19.32mm，q22＝1.013的方式排布LED封装器件201，相对于实施列2，LED封装器件在中心部分的排布进行了优化，而边缘的排布可以更加紧密，更加优化了灯具边缘照度低而中心照度高的缺点。通过使用如图5的方式进行建模，并使用蒙特卡洛光线追踪计算的方法进行模拟，得到如图6所示的照度均匀性的模拟结果，由结果的数值分析可以得到，在模拟的区域范围内最小照度值除以该区域的平均照度值得数值为0.905，而该区域最小照度值除以该区域最大照度值的结果为0.782。由最终的数值可见，使用该方式对灯具的LED封装器件的排列方式进行优化以后，其有效照射范围内的照度均匀性有了明显提高，这对于扩大灯具诱虫的有效范围有着巨大的优势，同时有利于更加进一步提高灯具的能效以及降低灯具制造成本。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高照度均匀性的LED诱虫灯，其特征在于，包括：
LED封装器件，电路板，所述LED封装器件通过电子元件表面贴装工艺贴装在经过排列设计的电路板的相应位置上；
其中，LED封装器件在电路板上的纵横距离分布方式遵从区域性的等比列函数分布方式。
2.根据权利要求1所述的一种高照度均匀性的LED诱虫灯，其特征在于：
将电路板的面板区域分为4个区域或9个区域，分别设置各个区域的LED灯的数量和位置。
3.根据权利要求1所述的一种高照度均匀性的LED诱虫灯，其特征在于：
电路板的外形为长方形，尺寸为长a，宽b，需要贴装的LED封装器件的数量为n行，m列，则由电路板四个直角中的其中一个为坐标原点，第一行的第一颗LED封装器件与第二颗LED封装器件的中心距离为a1，第一行的第二颗LED封装器件与第三颗LED封装器件的中心距离为a1·q1，以此类推，第一行的第(m/2)-1颗与第m/2颗LED封装器件的中心距离为a1·((m/2)-1)·q1；其余LED封装器件的间距通过电路板长的中心，即电路板的a/2处镜像得到，同时a1与q1满足(2a1·(1-q1)m/2)/(1-q1)≤a,其中a1∈(a/1.85m,a/(1.15m)),q1∈(1,2)。
4.根据权利要求1所述的一种高照度均匀性的LED诱虫灯，其特征在于：
电路板的外形为长方形，尺寸为长a，宽b，需要贴装的LED封装器件的数量为n行，m列，则由电路板四个直角中的其中一个为坐标原点，第一列的第一颗LED封装器件与第二颗LED封装器件的中心距离为b1，第一列的第二颗LED封装器件与第三颗LED封装器件的中心距离为b1·q2，以此类推，第1列与第(n/2)-1颗LED封装器件与第n/2颗LED封装器件的中心距离为b1·((n/2)-1)·q2，其余LED封装器件的间距通过电路板宽的中心，即电路板的b/2处镜像得到，同时b1与q2满足(2b1·(1-q2)n/2)/(1-q2)≤b,其中b1∈(b/1.75n,b/1.15n),q2∈(1,2)。
5.根据权利要求1所述的一种高照度均匀性的LED诱虫灯，其特征在于：
电路板的外形为长方形，尺寸为长a，宽b，需要贴装的LED封装器件的数量为n行，m列，则由电路板四个直角中的其中一个为坐标原点，第一行的第一颗LED封装器件与第二颗LED封装器件的中心距离为a11，第一行的第二颗LED封装器件与第三颗LED封装器件的中心距离为a11·q11，以此类推，第一行的第(m/2k)-1颗LED封装器件与第m/2k颗LED封装器件的中心距离为a11·q11 (m/2k)-2；第一行第m/k颗LED封装器件与第(m/k)+1颗LED封装器件的中心距离为a21，第一行第(m/k)+2颗LED封装器件与第(m/k)+3颗LED封装器件的中心距离为a21·q21，以此类推，第(m/2)-1颗LED封装器件与第m/2颗LED封装器件的中心距离为a21·q21 (m /2-m/2k)-1，其余LED封装器件的间距可以通过电路板宽的中心，即电路板的b/2处镜像得到，同时m、k、a11、q11、a21与q21满足m为偶数，k为大于1的自然数，m/2k为大于2的自然数，[(2a11·(1-q11)(m/2k)-1)/(1-q11)]+[(2a21·(1-q21)(m/2-m/2k))/(1-q21)]≤a,同时a11、a12∈(a/1.5m,a/1.035m)，q11、q12∈(1,2)。
6.根据权利要求1所述的一种高照度均匀性的LED诱虫灯，其特征在于：
电路板的外形为长方形，尺寸为长a，宽b，需要贴装的LED封装器件的数量为n行，m列，则由电路板四个直角中的其中一个为坐标原点，第一列的第一颗LED封装器件与第二颗LED封装器件的中心距离为b11，第一列的第二颗LED封装器件与第三颗LED封装器件的中心距离为b11·q12，以此类推，第一列的第(n/2k)-1颗LED封装器件与第n/2k颗LED封装器件的中心距离为b11·q12 (n/2k)-2，第一行第m/2k颗LED封装器件与第(m/2k)+1颗LED封装器件的中心距离为b21，第一行第(m/2k)+2颗LED封装器件与第(m/2k)+3颗LED封装器件的中心距离为b21·q22，以此类推，第(m/2)-1颗LED封装器件与第m/2颗LED封装器件的中心距离为b21·q22 (m/2-m/2k)-1，其余LED封装器件的间距可以通过电路板宽的中心，即电路板的b/2处镜像得到，同时n、k、b11、q12、b21与q22满足k为大于1的自然数，m/2k为大于2的自然数，[(2b11·(1-q12)(n/2k)-1)/(1-q12)]+[(2b21·(1-q22)(n/2-n/2k))/(1-q22)]≤b,同时b11、b12∈(b/1.5m,a/1.035m)，q12、q22∈(1,2)。
7.一种高照度均匀性的LED诱虫灯设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、设计LED封装器件在电路板上的布局位置，使得每个LED封装器件的纵横距离分布方式遵从区域性的等比列函数分布方式；
步骤2、使用实体建模配合蒙特卡洛光线追踪计算的方法进行模拟设计，以得到LED诱虫灯在空间的照度分布，并在模拟结果中不断的优化，最终得到LED封装器件在电路板上的纵横排列方式，使LED灯具的照度更加均匀。
8.根据权利要求7所述的一种高照度均匀性的LED诱虫灯设计方法，其特征在于，使得每个LED封装器件的纵横距离分布方式遵从区域性的等比列函数分布方式；具体为：
电路板的外形为长方形，尺寸为长a，宽b，需要贴装的LED封装器件的数量为n行，m列；
对于横向布局，由电路板四个直角中的其中一个为坐标原点，第一行的第一颗LED封装器件与第二颗LED封装器件的中心距离为a1，第一行的第二颗LED封装器件与第三颗LED封装器件的中心距离为a1·q1，以此类推，第一行的第(m/2)-1颗与第m/2颗LED封装器件的中心距离为a1·((m/2)-1)·q1，其余LED封装器件的间距可以通过电路板长的中心，即电路板的a/2处镜像得到，同时a1与q1满足(2a1·(1-q1)m/2)/(1-q1)≤a,其中a1∈(a/1.85m,a/(1.15m)),q1∈(1,2)；
对于纵向布局，由电路板四个直角中的其中一个为坐标原点，第一列的第一颗LED封装器件与第二颗LED封装器件的中心距离为b1，第一列的第二颗LED封装器件与第三颗LED封装器件的中心距离为b1·q2，以此类推，第1列与第(n/2)-1颗LED封装器件与第n/2颗LED封装器件的中心距离为b1·((n/2)-1)·q2，其余LED封装器件的间距可以通过电路板宽的中心，即电路板的b/2处镜像得到，同时b1与q2满足(2b1·(1-q2)n/2)/(1-q2)≤b,其中b1∈(b/1.75n,b/1.15n),q2∈(1,2)。
9.根据权利要求7所述的一种高照度均匀性的LED诱虫灯设计方法，其特征在于，使得每个LED封装器件的纵横距离分布方式遵从区域性的等比列函数分布方式；具体为：
电路板的外形为长方形，尺寸为长a，宽b，需要贴装的LED封装器件的数量为n行，m列，则由电路板四个直角中的其中一个为坐标原点，第一行的第一颗LED封装器件与第二颗LED封装器件的中心距离为a11，第一行的第二颗LED封装器件与第三颗LED封装器件的中心距离为a11·q11，以此类推，第一行的第(m/2k)-1颗LED封装器件与第m/2k颗LED封装器件的中心距离为a11·q11 (m/2k)-2；第一行第m/k颗LED封装器件与第(m/k)+1颗LED封装器件的中心距离为a21，第一行第(m/k)+2颗LED封装器件与第(m/k)+3颗LED封装器件的中心距离为a21·q21，以此类推，第(m/2)-1颗LED封装器件与第m/2颗LED封装器件的中心距离为a21·q21 (m /2-m/2k)-1，其余LED封装器件的间距可以通过电路板宽的中心，即电路板的b/2处镜像得到，同时m、k、a11、q11、a21与q21满足m为偶数，k为大于1的自然数，m/2k为大于2的自然数，[(2a11·(1-q11)(m/2k)-1)/(1-q11)]+[(2a21·(1-q21)(m/2-m/2k))/(1-q21)]≤a,同时a11、a12∈(a/1.5m,a/1.035m)，q11、q12∈(1,2)。
10.根据权利要求7所述的一种高照度均匀性的LED诱虫灯设计方法，其特征在于，使得每个LED封装器件的纵横距离分布方式遵从区域性的等比列函数分布方式；具体为：
电路板的外形为长方形，尺寸为长a，宽b，需要贴装的LED封装器件的数量为n行，m列，则由电路板四个直角中的其中一个为坐标原点，第一列的第一颗LED封装器件与第二颗LED封装器件的中心距离为b11，第一列的第二颗LED封装器件与第三颗LED封装器件的中心距离为b11·q12，以此类推，第一列的第(n/2k)-1颗LED封装器件与第n/2k颗LED封装器件的中心距离为b11·q12 (n/2k)-2；第一行第n/2k颗LED封装器件与第(n/2k)+1颗LED封装器件的中心距离为b21，第一行第(n/2k)+2颗LED封装器件与第(n/2k)+3颗LED封装器件的中心距离为b21·q22，以此类推，第(n/2)-1颗LED封装器件与第n/2颗LED封装器件的中心距离为b21·q22 (n/2-n/2k)-1，其余LED封装器件的间距可以通过电路板宽的中心，即电路板的b/2处镜像得到，同时n、k、b11、q12、b21与q22满足k为大于1的自然数，m/2k为大于2的自然数，[(2b11·(1-q12)(n/2k)-1)/(1-q12)]+[(2b21·(1-q22)(n/2-n/2k))/(1-q22)]≤b,同时b11、b12∈(b/1.5m,a/1.035m)，q12、q22∈(1,2)。
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