專利名稱：一種用于戶外led照明的自由曲面透鏡結(jié)構(gòu)設計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明具體涉及一種用于戶外LED照明的自由曲面透鏡結(jié)構(gòu)設計方法，屬于LED 照明應用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自20世紀60年代第一個半導體發(fā)光二極管(Light Emitting Diode, LED)誕生 以來，以其冷發(fā)光、壽命長、快速啟動、高效節(jié)能等優(yōu)點，在照明技術(shù)領(lǐng)域得到了快速發(fā)展和 廣泛應用，被認為是第四代照明光源的最佳候選。近幾年，白光LED在發(fā)光效率方面有顯著 的提高(超過lOOlm/w)，并開始在道路照明方面得到應用。然而，由于LED光源發(fā)出的光線 呈郎伯分布(Lambertian distribution)，即光源在距離路面一定高度且垂直于路面照射 時，只能在路面上形成一個較小的圓形光斑，亮度由圓心向外急劇降低并且光照均勻性低， 所以沒有經(jīng)過配光設計的LED路燈，路面投射效果為大面積的圓形光斑，造成約50%的光 散落到要求范圍之外，光能利用率較低。此外，還會產(chǎn)生眩光效應，影響道路安全，不符合道 路照明要求。因此需要加以二次光學設計，使其在路面上形成一個接近矩形的較大的均勻 光斑，因為只有矩形光斑才能在路面上實現(xiàn)無縫連接，均勻照滿整條道路，達到最佳照明效^ ο實踐證明，對LED光源進行的二次光學設計可以實現(xiàn)光能的合理分配，1974年，施 魯本(Schruben)設計出使LED光源投射出均勻分布的圓形光斑的自由曲面反光器，2002 年，哈拉爾德里斯(HaraldRies)設計出使LED投射出OEC字樣的自由曲面透鏡。因此，對 LED路燈進行合理的二次光學設計，能夠提高其光能利用率，并且減小眩光效應對道路使用 者的危害，使LED路燈更符合道路照明的要求。由于以計算機為工具的LED照明設計能夠 使繁瑣重復的計算變得簡單、快捷，并且能夠有效結(jié)合照明設計軟件進行三維直觀的仿真 設計以及相應的光效分析，這就大大提高了設計的速度和準確性，降低了設計成本。因此， 將科學的設計思想與計算機模擬相結(jié)合成為LED照明設計的主流方法。因此，為了達到均勻矩形光斑的投射效果，本發(fā)明提出了一種基于“線微元投影 法”的LED路燈用二次光學透鏡中自由曲面透鏡的結(jié)構(gòu)設計方法。
發(fā)明內(nèi)容
1、目的針對以上技術(shù)背景，本發(fā)明的目的是提供一種用于戶外LED照明的自由 曲面透鏡結(jié)構(gòu)設計方法，它首先由計算機模擬，通過分析其能量分布特點建立LED發(fā)光模 型；然后，以特定透射光斑的形狀、尺寸以及LED燈具的安裝與分布特點為變量，確定由光 源出射的原始透射光線與調(diào)制后光線的對應關(guān)系，建立數(shù)學模型；最后，結(jié)合實際工程要 求，采用數(shù)學模擬軟件求解相關(guān)方程組，得到面型空間分布點坐標數(shù)據(jù)，從而擬合出滿足工 程要求的二次配光透鏡的自由曲面。2、技術(shù)方案為實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明一種用于戶外LED照明的自由曲面透鏡 結(jié)構(gòu)設計方法，通過以下步驟實現(xiàn)
步驟一 LED光源分析根據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)對比分析，單顆LED顆粒可視作余弦發(fā)光體進行研究。發(fā)光 強度空間分布如下所示dE = AXcos θ(1)其中θ為球心到球面上該點連線的矢量5和光源所在平面的法線》的夾角，A為發(fā) 光面在法線方向的發(fā)光強度(
圖1)，E為與法線成任意角度θ方向的發(fā)光強度。dE為發(fā) 光強度向量，即光源的空間能量密度分布。步驟二 發(fā)光模型建立為了實現(xiàn)路面光強的均勻分布，本發(fā)明提出“線微元投影法”，將球面能量以其頂 點為中心，以線微元為單位進行均勻劃分，其中每條線微元上光通量分布均等；將每一個線 微元能量帶作為研究對象，根據(jù)需求調(diào)制出射光線并構(gòu)建數(shù)學映射計算模型；通過計算入 射光線與出射光線的對應關(guān)系，得到參與該部分折射的曲面上點的空間坐標；以此類推，通 過對每一條線微元進行相同的處理；最終可獲得所有曲面上點的空間坐標，進而擬合出滿 足配光要求的自由曲面。具體實現(xiàn)過程如下首先，根據(jù)能量球面與預期光斑面之間的拓撲關(guān)系，可以在能量面與光斑面之間 建立一一映射的投影關(guān)系。投影關(guān)系的劃分，直接決定了出射光線的方向，從而決定了自由 曲面的面型。理論上，只要能夠?qū)崿F(xiàn)出射光線的能量均勻分布在預期光斑范圍內(nèi)，即能夠符 合要求，所以，每一種存在的映射關(guān)系就決定了一種曲面構(gòu)型。但是，由于LED出射光線相 對于自由曲面的入射角大小對透過率有很大影響，主要表現(xiàn)為入射角越小，透過率越高，從 而光能利用率越高。為了盡可能提高光能利用率，就需要減小入射角的角度，所以，在滿足 均勻照明的前提下，最小范圍內(nèi)改變光線的折射角度。類比地圖與地球儀之間的映射關(guān)系，依據(jù)“地圖投影原理”在球面劃分出等間隔的 經(jīng)線作為線微元，將其看作有寬度的能量帶，則球面能量被經(jīng)線等分，即每條線微元上光能 的角度與能量密度分布完全相同(如圖2所示)。圖2中，LED發(fā)光源位于空間直角坐標系的原點(0，0，0)處，半球面為LED點光源 的能量面，能量面上以旋轉(zhuǎn)對稱分布的半圓簇表示按照球面經(jīng)線走向劃分的線微元，上方 矩形平面表示需要照明的路面模型。其中，矩形中心對應于從球面頂點出射光線的投射點， 然后以矩形中心為原點，與球面劃分的線微元對應并以矩形光斑的邊界為邊界，在矩形平 面內(nèi)輻射出等量的線微元段。根據(jù)球面線微元與平面線微元的對應關(guān)系，滿足平面的每條線微元與球面的線微 元共面。將一條線微元及其對應的路面投射區(qū)域作為研究對象；將球面線微元上能量完全 均勻投影至路面對應區(qū)域(即圖2中以矩形中心為線段中心的線微元)作為原則，改變?nèi)?射光線的出射方向，可以實現(xiàn)在特定區(qū)域的能量均勻分布，從而滿足配光要求。步驟三數(shù)學模型分析根據(jù)線微元投影中映射關(guān)系的旋轉(zhuǎn)對稱性，在以下的模型分析中將任意選取共面 的一組球面線微元與矩形平面線微元為研究對象。根據(jù)斯涅耳折射定律得到量化的對應關(guān) 系，建立方程組并解出曲面坐標。以正對路面矩形被照區(qū)域中心安裝的LED路燈為分析模 型設燈到路面的垂直距離OO' = Iv路面對應能量帶半長為Itl, ο點為LED光源，半圓剖 面為所截光源能量球面，外部不規(guī)則曲線表示自由曲面透鏡的外表面在剖面內(nèi)的曲線。將每一個剖面作為研究對象，則光能分布的調(diào)制關(guān)系如圖3。任取一條出射方向與水平面(圖 中為X軸)夾角為θ的光線為研究對象，設光線投射到曲面上B點(曲線上B點處對應的 切線為AC，法線為η，如圖3所示)，其中入射角為Q1，折射角為θ2，光線經(jīng)自由曲面出射 后投射至路面，與路面對應夾角為Y。具體計算分析如下設光源位于直角坐標系的半球中心，以線微元的劃分方法，將半球面劃分為若干 剖面，每一個剖面對應的半圓上，取以角度θ出射的光束微分單元為研究對象，則對應的 能量微元為
權(quán)利要求
1. 一種用于戶外LED照明的自由曲面透鏡結(jié)構(gòu)設計方法，其特征在于該方法具體步 驟如下步驟一 LED光源分析根據(jù)實際測量的數(shù)據(jù)對比分析，單顆LED顆?？梢曌饔嘞野l(fā)光體進行研究，發(fā)光強度 空間分布如下所示dE = AXcos θ(1)其中，θ為球心到球面上該點連線的矢量5和光源所在平面的法線力的夾角，A為發(fā)光 面在法線方向的發(fā)光強度，E為與法線成任意角度θ方向的發(fā)光強度，dE為發(fā)光強度向量， 即光源的空間能量密度分布；步驟二 發(fā)光模型建立為了實現(xiàn)路面光強的均勻分布，提出“線微元投影法”即將球面能量以其頂點為中心， 以線微元為單位進行均勻劃分，其中每條線微元上光通量分布均等；將每一個線微元能量 帶作為研究對象，根據(jù)需求調(diào)制出射光線并構(gòu)建數(shù)學映射計算模型；通過計算入射光線與 出射光線的對應關(guān)系，得到參與該部分折射的曲面上點的空間坐標；以此類推，通過對每一 條線微元進行相同的處理；最終獲得所有曲面上點的空間坐標，進而擬合出滿足配光要求 的自由曲面；具體實現(xiàn)過程如下首先，根據(jù)能量球面與預期光斑面之間的拓撲關(guān)系，在能量面與光斑面之間建立一一 映射的投影關(guān)系；投影關(guān)系的劃分，直接決定了出射光線的方向，從而決定了自由曲面的面 型；只要能夠?qū)崿F(xiàn)出射光線的能量均勻分布在預期光斑范圍內(nèi)，即能夠符合要求，所以，每 一種存在的映射關(guān)系就決定了一種曲面構(gòu)型；但由于LED出射光線相對于自由曲面的入射 角大小對透過率有很大影響，入射角越小，透過率越高，從而光能利用率越高；為了提高光 能利用率，需減小入射角的角度，所以，在滿足均勻照明的前提下，最小范圍內(nèi)改變光線的 折射角度；類比地圖與地球儀之間的映射關(guān)系，依據(jù)“地圖投影原理”在球面劃分出等間隔的經(jīng)線 作為線微元，將其看作有寬度的能量帶，則球面能量被經(jīng)線等分，即每條線微元上光能的角 度與能量密度分布完全相同；LED發(fā)光源位于空間直角坐標系的原點(0，0，0)處，半球面為LED點光源的能量面，能 量面上以旋轉(zhuǎn)對稱分布的半圓簇表示按照球面經(jīng)線走向劃分的線微元，上方矩形平面表示 需要照明的路面模型；其中，矩形中心對應于從球面頂點出射光線的投射點，然后以矩形中 心為原點，與球面劃分的線微元對應并以矩形光斑的邊界為邊界，在矩形平面內(nèi)輻射出等 量的線微元段；根據(jù)球面線微元與平面線微元的對應關(guān)系，滿足平面的每條線微元與球面的線微元共 面；將一條線微元及其對應的路面投射區(qū)域作為研究對象；將球面線微元上能量完全均勻 投影至路面對應區(qū)域作為原則，改變?nèi)肷涔饩€的出射方向，實現(xiàn)在特定區(qū)域的能量均勻分 布，從而滿足配光要求；步驟三數(shù)學模型分析根據(jù)線微元投影中映射關(guān)系的旋轉(zhuǎn)對稱性，在以下的模型分析中將任意選取共面的一 組球面線微元與矩形平面線微元為研究對象；根據(jù)斯涅耳折射定律得到量化的對應關(guān)系， 建立方程組并解出曲面坐標；以正對路面矩形被照區(qū)域中心安裝的LED路燈為分析模型設燈到路面的垂直距離O0' = Iv路面對應能量帶半長為Itl, ο點為LED光源，半圓剖面為 所截光源能量球面，外部不規(guī)則曲線表示自由曲面透鏡的外表面在剖面內(nèi)的曲線；將每一 個剖面作為研究對象，任取一條出射方向與水平面夾角為θ的光線為研究對象，設光線投 射到曲面上B點，其中入射角為Q1，折射角為θ2，光線經(jīng)自由曲面出射后投射至路面，與路 面對應夾角為Y，具體計算分析如下設光源位于直角坐標系的半球中心，以線微元的劃分方法，將半球面劃分為若干剖面， 每一個剖面對應的半圓上，取以角度θ出射的光束微分單元為研究對象，則對應的能量微 元為dE = A · sin θ · d θ(2)此處A與式(1)中A所示意義相同，但θ表示相對于透鏡的入射光線與X軸的夾角而 非式(1)中θ表示的出射光線與發(fā)光平面法線的夾角；設該光束相對于透鏡曲面的入射角為Q1，出射角為θ 2，則由斯涅耳折射定律
全文摘要
一種用于戶外LED照明的自由曲面透鏡結(jié)構(gòu)設計方法，該方法有三大步驟步驟一LED光源分析；步驟二發(fā)光模型建立；步驟三數(shù)學模型分析。它首先由計算機模擬，通過分析其能量分布特點建立LED發(fā)光模型；然后，以特定透射光斑的形狀、尺寸以及LED燈具的安裝與分布特點為變量，確定由光源出射的原始透射光線與調(diào)制后光線的對應關(guān)系，建立數(shù)學模型；最后，結(jié)合實際工程要求，采用數(shù)學模擬軟件求解相關(guān)方程組，得到面型空間分布點坐標數(shù)據(jù)，從而擬合出滿足工程要求的二次配光透鏡的自由曲面。本發(fā)明構(gòu)思科學，它設計出滿足要求的路燈二次配光透鏡構(gòu)型，很大程度實現(xiàn)了光能的均勻分配。它在LED照明應用技術(shù)領(lǐng)域里具有較好的實用價值和廣闊的應用前景。
文檔編號F21V5/04GK102121665SQ20101061964
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月31日
發(fā)明者李帥, 肖志松, 閆瑞, 黃安平 申請人:北京航空航天大學